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高中 | 化学平衡图像分析题目答案及解析如下,仅供参考!
选修四
第二章 化学反应速率和化学平衡
第三节 化学平衡
化学平衡图像分析
空气中$\text{C}{{\text{O}}_{2}}$含量的控制和$\text{C}{{\text{O}}_{2}}$资源利用具有重要意义。
$\text{C}{{\text{O}}_{2}}$和${{\text{H}}_{2}}$一定条件下可以合成甲醇,但是该过程往往存在副反应$\rm ii$。
反应$\rm i$:$\text{C}{{\text{O}}_{2}}(\text{g})+3{{\text{H}}_{2}}(\text{g})\rightleftharpoons \text{C}{{\text{H}}_{3}}\text{OH}(\text{g})+{{\text{H}}_{2}}\text{O}(\text{g})\qquad\Delta {{\textit{H}}_{1}}=-49.5\;\rm \text{kJ}\cdot \text{mo}{{\text{l}}^{-1}}$
反应$\rm ii$:$\text{C}{{\text{O}}_{2}}(\text{g})+{{\text{H}}_{2}}(\text{g})\rightleftharpoons \text{CO}(\text{g})+{{\text{H}}_{2}}\text{O}(\text{g})\qquad\Delta {{\textit{H}}_{2}}=+40.9\;\rm \text{kJ}\cdot \text{mo}{{\text{l}}^{-1}}$
则反应$\text{C}{{\text{H}}_{3}}\text{OH}(\text{g})\rightleftharpoons \text{CO}(\text{g})+2{{\text{H}}_{2}}(\text{g})$在 $\rm ($选填“高温”、“低温”或“任意温度”$\rm )$下可以自发进行。
高温
"]]根据盖斯定律,反应$\rm ii-$反应$\rm i$得到应$\text{C}{{\text{H}}_{3}}\text{OH}(\text{g})\rightleftharpoons \text{CO}(\text{g})+2{{\text{H}}_{2}}(\text{g})$,则$\Delta \textit{H}=\Delta {{\textit{H}}_{2}}-\Delta {{\textit{H}}_{1}}=\left[ +40.9-\left( -49.5 \right) \right]\ \rm kJ/mol=90.4\;\rm kJ/mol\gt 0$,反应是气体分子数增加的反应:$\Delta\textit{S}\gt0$,则反应在高温下可以自发进行。
恒压下将$\text{C}{{\text{O}}_{2}}$和${{\text{H}}_{2}}$按体积比$1:3$混合,在不同催化剂作用下发生反应$\rm i$和反应$\rm ii$,在相同的时间段内$\text{C}{{\text{H}}_{3}}\text{OH}$的选择性和产率随温度的变化如图。
已知:$\text{C}{{\text{H}}_{3}}\text{OH}$选择性$=\dfrac{\textit{n}(\text{C}\text{H}_{3}\text{OH})}{\textit{n}(\text{C}\text{H}_{3}\text{OH})+\textit{n}(\text{CO})}\times100\%$。
①在上述条件下合成甲醇的工业条件是 。
②$210\sim230\;\rm ^\circ\rm C$,升高温度甲醇的选择性降低但甲醇的产率增大,其原因是 。
$\\rm 230\\;\\rm ^\\circ\\rm C$、催化剂$\\rm CZ(Zr-1)T$ ;升高温度,反应$\\rm i$、$\\rm ii$的化学反应速率均增大,所以$\\rm CO_{2}$的转化率提高、甲醇产率增大,但是由于反应$\\rm i$放热、反应$\\rm ii$吸热,升高温度对正向反应有利,而对反应$\\rm i$正向反应不利,所以甲醇的选择性降低。
"]]①由图象可知在$\rm 230\;\rm ^\circ\rm C$下$\rm CH_{3}OH$的转化率最高,催化剂$\rm CZ(Zr-1)T$对$\rm CH_{3}OH$的选择性最好,因此合成甲醇的工业条件是$\rm 230\;\rm ^\circ\rm C$、催化剂$\rm CZ(Zr-1)T$;
②升高温度,反应$\rm i$、$\rm ii$的化学反应速率均增大,所以$\rm CO_{2}$的转化率提高、甲醇产率增大,但是由于反应$\rm i$放热、反应$\rm ii$吸热,升高温度对正向反应有利,而对反应$\rm i$正向反应不利,所以甲醇的选择性降低。
光催化$\text{C}{{\text{O}}_{2}}-\text{C}{{\text{H}}_{4}}$重整技术也是研究热点。以$\text{Rh}/\text{SrTi}{{\text{O}}_{3}}$为光催化剂,光照时,价带失去电子并产生空穴$\rm ({{\text{h}}^{+}}$,具有强氧化性$\rm )$,$\text{C}{{\text{O}}_{2}}$在导带获得电子生成$\rm CO$和${{\text{O}}^{2-}}$,价带上$\text{C}{{\text{H}}_{4}}$直接转化为$\rm CO$和${{\text{H}}_{2}}$,反应机理如图所示:
在$\rm Rh$表面,每生成$\rm 1\;\rm mol$ $\rm CO$,则价带产生的空穴$\rm ({{\text{h}}^{+}}\rm )$数为 ;价带上的电极反应式可表示为 。
$2N_\\rm {A}$ ;$\\rm CH_{4}+2\\;\\rm h^{+}+O^{2-}=CO+2H_{2}$
"]]当价带产生$\rm 1\;\rm mol$空穴$\rm (h^{+})$时,电子转移为$\rm 1\;\rm mol$,在$\rm Rh$表面生成的$\rm CO$数目为$0.5N_\rm{A}$,则每生成$\rm 1\;\rm mol$ $\rm CO$,则价带产生的空穴$\rm (h^{+})$的物质的量为$\rm 2\;\rm mol$,空穴数为$2N_\rm{A}$;价带上的电极反应式为$\rm CH_{4}+2\;\rm h^{+}+O^{2-}=CO+2H_{2}$。
利用配位化学原理也可以实现$\text{C}{{\text{O}}_{2}}$的捕捉和释放,从而实现$\text{C}{{\text{O}}_{2}}$的回收利用。上图是一种含锌配合物捕捉和释放$\text{C}{{\text{O}}_{2}}$的反应过程,请在方框内画出转化中间体的结构式 。
根据反应过程可知,方框内画出转化中间体的结构式为。
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