2023年第55届国际化学奥林匹克竞赛预备试题

第 55 届国际化学奥林匹克竞赛 预备试题 理论部分 第 1 题 太阳能转化为燃料 科学家研究开发了很多种将 CO2转换为合成天然气或其他燃料的办法，而这些转化方法将 减少人类活动对自然界碳循环的破坏。来自苏黎世联邦理工学院的 A. Steinfeld 教授开发了 一种有前途的使用太阳能转化的方法，通过太阳能与 CeO2催化，在工业规模上转化得到 混合气(含 H2, CO, CO2)，从而使 CO2可以直接通过 DAC(直接空气碳捕获和储存)技术在大 气中被清除。整个流程由三个部分组成：DAC 技术，非整比 CeO2 参与的太阳能作用下的 氧化还原反应，生成甲醇或碳氢化合物(取决于初始混合气体的组成)的气-液装置(GTL)。 太阳能促使的氧化还原反应依赖于两步催化循环：第一步在太阳能下 CeO2 不定比的分解 放出氧气；第二步 CeO2 分解产物在远低于还原反应的温度下从 CO2或 H2O 中得到氧原子 而复原并放出 CO 和 H2。将分解产物记为 CeO2-δ，δ 取值与 CeO2氧原子交换能力有关。 该过程开始的 CeO2 的非化学计量还原和 CO2 或 H2O 的重新氧化可以由以下方程式表示： CeO2 → CeO2-δ + O2 （1） 随后是 CO2和 H2O 的重新氧化： CeO2-δ + δCO2→ CeO2 + δCO CeO2-δ + δH2O→ CeO2 + δH2 在最初的实验中，通入CO2和H2O后测量了O2和产物气体的数据如下(误差范围约为 15%)： 总的 O2释放 1.52 mL g-1(CeO2) 总的气体产物 3.15 mL g-1(CeO2) 总的 H2释放 2.21 mL g-1(CeO2) 总的 CO 释放 0.94 mL g-1(CeO2) 1-1 计算 δ 值并写出方程式（1）。(注意在整道题目中，假设气体的摩尔体积是 22.4 L)。 在循环过程中再氧化过程显然无法完全实现，所以还原方程式应改写为： CeO2-δox → CeO2-δred + αO2 δox 表示还原前的非整比计量，δred 表示还原后的非整比计量。α 表示 CeO2 的氧交换量，也 可以用来表示每催化循环的燃料产量。 1-2 为以下反应提供配平的方程式：(i)产生 1 mol 氧原子时从 CeO2-δox 到 CeO2-δred 的还原过 程和(ii)CO2，(iii)H2O 的再氧化过程。 α 取决于氧气的温度和分压，还原过程中的 ΔRH 为 950 kJ 每摩尔氧气释放。 1-3 在以下选项中选出最适合还原过程的条件： (A)低 O2分压和低温 (B)低 O2 分压和高温 (C)高 O2分压和低温 (D)高 O2分压和高温 使用热力学数据，在不同温度下 α 可以作为与 O2 的分压有关的函数而计算得到，相关函数 关系如下： log 2α = (0.2105 log p(O )/bar + 2.613) log 2α = (0.2168 log p(O )/bar + 2.4585) log 2α = (0.2231 log p(O )/bar + 2.3040) 1-4 计算 1500℃和 O2 分压为 0.1 mbar 时的 α 值，并说明其氧气交换容量比 1-1 中更大。 1-5 计算当温度从 1500℃下降到 1400℃时 α 值的变化百分数。(假定 O2 分压在温度区间内 均为 0.1 mbar) 检测通入 H2O 和 CO2 后的体系，再氧化体系运行 20 分钟和运行 8 分钟的数据如下(均为 1500℃和 O2分压为 0.1 mbar 条件下) 循环时间 20 分钟 8 分钟 气体体积 18.5 L 9.4 L 气体组成 40.7% H2 , 4.3% CO , 22.4% CO2 , 59.9% H2 ,6.0% CO , 17.2% CO2 , 32.6% Ar 16.9% Ar Ar 气用于使该太阳能转化体系重新加压致 1 bar。 1-6 计算运行 20 分钟时 H2：COx的比值，COx = CO + CO2。 1-7 计算运行 20 分钟时 CO2的转化率。 1-8 重复 1-6/1-7 的计算，不同的是将反应时间从 20 分钟缩短为 8 分钟。 最后一步气-液转化(Gas to Liquid, GTL)是根据 Fischer-Tropsch(FT)工艺转化为液体烷烃或烯 烃。FT 工艺使用 H2和 CO，而甲醇的合成类似但使用 H2 和 CO2。 1-9 写出混合气体制备得到烷烃和烯烃的反应方程式。 生产甲醇的过程可以使用 H2 + CO，也可以使用 H2 + CO2。 1-10 写出以上 2 个反应方程式。 1-11 比较运行 20 分钟和运行 8 分钟何者更适合 ... ...