19.碳達(dá)峰、碳中和是現(xiàn)在需要繼續(xù)完成的環(huán)保任務(wù),CO2的綜合利用成為熱點(diǎn)研究對(duì)象,CO2作為碳源加氫是再生能源的有效方法,CO2加氫可以合成甲醇,Olah提出“甲醇經(jīng)濟(jì)”概念,認(rèn)為甲醇會(huì)在不久的將來(lái)扮演不可或缺的角色,通過(guò)CO2加氫生產(chǎn)甲醇是有希望的可再生路線(xiàn)之一,該過(guò)程主要發(fā)生如下反應(yīng):
反應(yīng)Ⅰ:CO2(g)+H2(g)?CO(g)+H2O(g)ΔH1
反應(yīng)Ⅱ:CO2(g)+3H2(g)?CH3OH(g)+H2O(g)ΔH2=-41.1kJ?mol-1
(1)①相關(guān)鍵能如下表,則ΔH1=
,該反應(yīng)的活化能Ea(正)
Ea(逆)(填“大于”“小于”或“等于”)。
化學(xué)鍵 |
H-H |
C≡O(shè) |
O-H |
C=O |
鍵能/(kJ?mol-1) |
436 |
1071 |
464 |
803 |
②若K
1、K
2分別表示反應(yīng)Ⅰ、反應(yīng)Ⅱ的平衡常數(shù),則CO(g)+2H
2(g)?CH
3OH(g)的平衡常數(shù)K=
(用含K
1、K
2的代數(shù)式表示)。
③已知CO
2(g)+3H
2(g)?CH
3OH(g)+H
2O(g)的正反應(yīng)速率v
正=kc(CO
2)c
3(H
2)( k為正反應(yīng)的速率常數(shù)),某溫度時(shí)測(cè)得數(shù)據(jù)如下:
|
c(CO2)/(mol?L-1) |
c(H2)/(mol?L-1) |
v正/(mol?L-1?min-1) |
1 |
0.02 |
0.01 |
2.0×10-4 |
2 |
0.02 |
0.02 |
a |
則此溫度下表中a=
。
(2)據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道,Cu基納米材料作為高性能催化劑可將CO
2電還原為高能量密度的CH
3OH,不同催化劑對(duì)生成CH
3OH的法拉第效率與電極電勢(shì)的變化如圖所示(已知法拉第效率是指實(shí)際生成物和理論生成物的百分比),為了保證生成甲醇的法拉第效率,最合適的電勢(shì)及最佳催化劑是
。
(3)在催化劑作用下,發(fā)生上述反應(yīng)Ⅰ、Ⅱ,達(dá)平衡時(shí)CO
2的轉(zhuǎn)化率隨溫度和壓強(qiáng)的變化如圖,判斷p
1、p
2、p
3的大小關(guān)系:
,解釋壓強(qiáng)一定時(shí),CO
2的平衡轉(zhuǎn)化率呈現(xiàn)如圖變化的原因:
。
(4)某溫度下,初始?jí)簭?qiáng)為p,向容積為2L的恒容密閉容器中充入2molCO
2、3molH
2發(fā)生反應(yīng)Ⅰ、Ⅱ,平衡時(shí)CO
2的轉(zhuǎn)化率是50%,體系內(nèi)剩余1molH
2,反應(yīng)Ⅱ的平衡常數(shù)K=
L
2?mol
-2。