Question

【題目】CO2是一種溫室氣體，對(duì)人類的生存環(huán)境產(chǎn)生巨大的影響，維持大氣中CO2的平衡對(duì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)有著重要意義。

I．可利用CH4與CO2制備合成氣(CO、H2)，在某一鋼性密閉容器中CH4、CO2的分壓分別為15kPa、20kPa，加入Ni/α-A12O3催化劑并加熱至1123K使其發(fā)生反應(yīng)：CH4(g)+CO2(g)=2CO(g)+2H2(g)

（1）研究表明CO的生成速率，某時(shí)刻測(cè)得p(H2)=10kPa，則該時(shí)刻v(CH4)=___________k·Pas-1。

（2）達(dá)到平衡后，測(cè)得CO的產(chǎn)率為50％，則該反應(yīng)的平衡常數(shù)Kp=_________。

（3）科學(xué)家提出制備“合成氣反應(yīng)歷程分兩步：

反應(yīng)①：CH4(g)=C(ads)+2H2(g)(慢反應(yīng))

反應(yīng)②：C(ads)+CO2(g)=2CO(g)(快反應(yīng))

上述反應(yīng)中C(ads)為吸附性活性炭，反應(yīng)歷程的能量變化如圖所示：

CH4與CO2制備合成氣的熱化學(xué)方程式為__________________。能量變化圖中：E5+E1_________E4+E2（填“＞”、“＜”或“＝”）。

II．CO2催化加氫制甲醇5MPa時(shí)，往某密閉容器中按投料比n(H2):n(CO2)=3:1充入H2和CO2，發(fā)生以下反應(yīng)：

i. ，

ii..

iii.

反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)，測(cè)得各組分的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)隨溫度變化的曲線如右圖所示。

（4）①體系中CO2的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)受溫度的影響不大，原因是_______________________。

②下列措施中，無(wú)法提高甲醇平衡產(chǎn)率的是________(填標(biāo)號(hào))。

A.加入適量CO B.增大壓強(qiáng)C.循環(huán)利用原料氣D.升高溫度

③如上圖X、Y分別代表_________、________(填化學(xué)式)。

III．利用銅基配合物1,10-phenanthroline-Cu催化劑電催化CO2還原制備碳基燃料(包括CO、烷烴和酸等)是減少CO2在大氣中累積和實(shí)現(xiàn)可再生能源有效利用的關(guān)鍵手段之，其裝置原理如圖所示。

（5）①電池工作過(guò)程中，圖中Pt電極附近溶液的pH_______(填“變大”或“變小”)，陰極的電極反應(yīng)式為________________。

②每轉(zhuǎn)移2mol電子，陰極室溶液質(zhì)量增加______g。

Answer 1

【答案】0.96 540(kPa)2 CH4(g) + CO2(g)2CO(g) + 2H2(g) △H=+(E3-E1) kJ·mol-1 ＜ 溫度改變時(shí)，反應(yīng)i和反應(yīng)ii平衡移動(dòng)方向相反 D CO CH3OH 變小 CO2+2H++2e-＝HCOOH 46

【解析】

I．(1)在某一鋼性密閉容器中CH4、CO2的分壓分別為15kPa、20kPa，某時(shí)刻測(cè)得p(H2)=10kPa，則：

該時(shí)刻v(CO)=1.28×10-2p(CH4)p(CO2)=1.28×10-2×10×15=1.92，則v(CH4)=v(CO)=1.92×=0.96；

(2)達(dá)到平衡后，測(cè)得CO的產(chǎn)率為50％，則CO的平衡分壓為15kPa；列三段式：

平衡常數(shù)Kp===540；

(3)CH4與CO2制備“合成氣”的化學(xué)方程式為CH4(g)+CO2(g)2H2(g)+2CO(g)，由圖可知反應(yīng)的焓變△H=生成物的總內(nèi)能-反應(yīng)物的總內(nèi)能=(E3-E1)kJ/mol，反應(yīng)的熱化學(xué)方程式為CH4(g)+CO2(g)2H2(g)+2CO(g)△H=+(E3-E1)kJ/mol；兩步歷程中反應(yīng)①是慢反應(yīng)，所以反應(yīng)①的活化能大于反應(yīng)②的活化能，即E4-E1＞E5-E2，所以E5+E1＜E4+E2；

II．(4)△H1＜0，△H3＜0，即生成甲醇的反應(yīng)均為放熱反應(yīng)，所以溫度升高平衡時(shí)甲醇的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)應(yīng)減小，△H2＞0，生成CO的反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，所以隨溫度升高CO平衡時(shí)的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)會(huì)變大，二者共同作用導(dǎo)致水蒸氣減小幅度小于甲醇，所以Z代表H2O，Y代表CH3OH，X代表CO；

①依據(jù)主要反應(yīng)的化學(xué)方程式可知，反應(yīng)i消耗CO2，反應(yīng)ii逆向產(chǎn)生CO2，最終體系內(nèi)CO2的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)與上述兩個(gè)反應(yīng)進(jìn)行的程度相關(guān)。由于△H1＜0而△H2＞0，根據(jù)勒夏特列原理，溫度改變時(shí)，反應(yīng)i和反應(yīng)ii平衡移動(dòng)方向相反，且平衡移動(dòng)程度相近，導(dǎo)致體系內(nèi)CO2的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)受溫度的影響不大；

②A．加入適量CO，促使反應(yīng)iii平衡正向移動(dòng)，產(chǎn)生更多的CH3OH，而反應(yīng)ii平衡逆向移動(dòng)，又可減少CO2轉(zhuǎn)化為CO，使更多的CO2通過(guò)反應(yīng)i轉(zhuǎn)化為CH3OH，故CH3OH產(chǎn)率提高，故A正確；

B．增大壓強(qiáng)，有利于反應(yīng)i和iii的平衡正向移動(dòng)，而對(duì)反應(yīng)ii無(wú)影響，故B正確；

C．循環(huán)利用原料氣能提高CO2的轉(zhuǎn)化率，使CH3OH的產(chǎn)率提高，故C正確；

D．由圖可知，升溫，CH3OH的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)下降，產(chǎn)率降低，故D錯(cuò)誤；

故答案為D；

③根據(jù)分析可知X代表CO，Y代表CH3OH；

III．石墨烯的表面CO2發(fā)生還原反應(yīng)，說(shuō)明石墨烯為陰極，則b為電源的負(fù)極；

(5)①電池工作過(guò)程中，Pt電極為陽(yáng)極，發(fā)生的電極反應(yīng)式為2H2O-4e-=O2↑+4H+，則附近溶液的pH變小，陰極上發(fā)生還原反應(yīng)的電極反應(yīng)式為CO2+2H++2e-=HCOOH；

②每轉(zhuǎn)移2mol電子，由陰極電極反應(yīng)式CO2+2H++2e- =HCOOH可知，生成1molHCOOH，質(zhì)量為46g/mol×1mol=46g，即陰極室溶液質(zhì)量增加46g。