航天员呼吸产生的CO2用下列反应处理，可实现空间站中O2的循环利用，Sabatier反应：CO2（g）+4H2（g）⇌CH4（g）+2H2O（g）水电解反应：2H2O（l）电解

Question

航天员呼吸产生的CO₂用下列反应处理，可实现空间站中O₂的循环利用，Sabatier反应：
CO₂（g）+4H₂（g）⇌CH₄（g）+2H₂O（g）
水电解反应：2H₂O（l）  (电解.)/()2H₂（g）+O₂（g）

（1）将原料气按n（CO₂）：n_H2=1：4置于密闭容器中发生Sabatier反应，测得H₂O（g）的物质的量分数与温度的关系如图所示（虚线表示平衡曲线）．
①该反应的平衡常数K随温度升高而___（填“增大”或“减小”）．
②温度过高或过低均不利于该反应的进行，原因是___．
③200℃达到平衡时体系的总压强为p，该反应平衡常数K_p的计算式为___．（不必化简．用平衡分压代替平衡浓度计算，分压=总压×物质的量分数）
（2）Sabatier反应在空间站运行时，下列措施能提高CO₂转化效率的是___（填标号）．
A．适当减压
B．增大催化剂的比表面积
C．反应器前段加热，后段冷却
D．提高原料气中CO₂所占比例
E．合理控制反应器中气体的流速
（3）一种新的循环利用方案是用Bosch反应CO₂（g）+2H₂（g）⇌C（s）+2H₂O（g）代替Sabatier反应．
①已知CO₂（g）、H₂O（g）的生成焓分别为-394kJ•mol^-1、-242kJ•mol^-1，Bosch反应的△H=___kJ•mol^-1．（生成焓指一定条件下由对应单质生成1mol化合物时的反应热）
②一定条件下Bosch反应必须在高温下才能启动，原因是___．
③新方案的优点是___．

Answer 1

（1）①根据图知，当反应达到平衡状态后，升高温度，水的物质的量分数减小，说明平衡逆向移动，则生成物浓度减小、反应物浓度增大，所以化学平衡常数减小，故答案为：减小；
②温度过低，化学反应速率小；温度过高，平衡逆向移动，反应向右进行的程度减小，所以温度过高或过低均不利于该反应的进行，
故答案为：温度过低，反应速率小；温度过高，反应向右进行的程度小；
③设开始时n（CO₂）为1mol、n（H₂）=4mol，
设参加反应的n（CO₂）为xmol，
该反应方程式CO₂（g）+4H₂（g）⇌CH₄（g）+2H₂O（g）
开始（mol）1               4               0                0
反应（mol）x               4x             x               2x
平衡（mol）1-x          4-4x            x                2x
水蒸气的物质的量分数=(2x)/(1-x+4-4x+x+2x)=0.6，x=(15)/(16)
P（CO₂）=P×(1-(15)/(16))/(5-2×(15)/(16))=0.02P、P（H₂）=(4×(1-(15)/(16)))/(5-2×(15)/(16))×P=0.08P、P（CH₄）=((15)/(16))/(5-2×(15)/(16))×P=0.3P、P（H₂O）=(2×(15)/(16))/(2-5×(15)/(16))×P=0.6P，
压强平衡常数K=(P(CH4)．P2(H2O))/(P(CO2)．P4(H2))=(0.3P×(0.6P)2)/(0.02P×(0.08P)4)，
故答案为：(0.3P×(0.6P)2)/(0.02P×(0.08P)4)；
（2）A．适当减压，平衡逆向移动，二氧化碳转化率减小，故A错误；
B．增大催化剂的比表面积，反应物浓度增大，平衡正向移动，二氧化碳转化率增大，故B正确；
C．反应器前段加热，后段冷却，平衡正向移动，二氧化碳转化率增大，故C正确；
D．提高原料气中CO₂所占比例，平衡正向移动，但二氧化碳转化率减小，故D错误；
E．合理控制反应器中气体的流速，相当于增大浓度，平衡正向移动，二氧化碳转化率增大，故E正确；
故选BCE；
（3）①Bosch反应的△H=2（-242kJ•mol^-1）-（-394kJ•mol^-1）=-90kJ/mol，
故答案为：-90；
②断裂二氧化碳和氢气所需的能量较高，所以该反应所需的活化能较高，则一定条件下Bosch反应必须在高温下才能启动，故答案为：反应的活化能高；
③该反应中氢元素完全转化为水，氢原子利用率为100%，
故答案为：氢原子利用率为100%．