Question

20．近年科學(xué)家提出“綠色自由”構(gòu)想．把含有大量CO₂的空氣吹入K₂CO₃溶液中，再把CO₂從溶液中提取出來，并使之與H₂反應(yīng)生成可再生能源甲醇．其工藝流程如圖所示：
（1）分解池中主要物質(zhì)是KHCO₃．
（2）在合成塔中，若有4400g CO₂與足量H₂反應(yīng)，生成氣態(tài)的H₂O和甲醇，可放出5370kJ的熱量，寫出該反應(yīng)的熱化學(xué)方程式CO₂（g）+3H₂（g）$\frac{\underline{\;2×105Pa，300℃\;}}{催化劑}$CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-53.7KJ/mol．
（3）該工藝在哪些方面體現(xiàn)了“綠色自由”構(gòu)想中的“綠色”減少大氣中并產(chǎn)生清潔能源甲醇；可循環(huán)使用；能量可以循環(huán)利用，低碳經(jīng)濟(jì)等．
（4）一定條件下，往2L恒容密閉容器中充入1mol CO₂和3mol H₂，在不同催化劑作用下發(fā)生反應(yīng)I、反應(yīng)II與反應(yīng)III，相同時(shí)間內(nèi)CO₂的轉(zhuǎn)化率隨溫度變化如圖1所示：
（圖1中c點(diǎn)的轉(zhuǎn)化率為66.67%，即轉(zhuǎn)化了$\frac{2}{3}$）
①催化劑效果最佳的反應(yīng)是Ⅰ（填“反應(yīng)I”，“反應(yīng)II”，“反應(yīng)III”）．
②b點(diǎn)v （正）＞v （逆）（填“＞”，“＜”，“=”）．
③若此反應(yīng)在a點(diǎn)時(shí)已達(dá)平衡狀態(tài)，a點(diǎn)的轉(zhuǎn)化率比c點(diǎn)高的原因是該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，溫度升高，平衡逆向移動(dòng)．
④c點(diǎn)時(shí)該反應(yīng)的平衡常數(shù)K=3.70．
（5）科學(xué)家還研究了其它轉(zhuǎn)化溫室氣體的方法，利用圖2所示裝置可以將CO₂轉(zhuǎn)化為氣體燃料CO．該裝置工作時(shí)，N電極的電極反應(yīng)式為CO₂+2e^-+2H⁺=CO+H₂O．

Answer 1

分析 空氣中的CO₂與K₂CO₃溶液生成KHCO₃，碳酸氫鉀不穩(wěn)定，在分解池中加熱分解生成碳酸鉀和二氧化碳、水，二氧化碳與氫氣合成甲醇，
（1）吸收池中盛有飽和碳酸鉀溶液，吸收空氣中的二氧化碳，轉(zhuǎn)化為KHCO₃；
（2）1mol二氧化碳反應(yīng)放出熱量為5370kJ×$\frac{1mol×44g/mol}{4400g}$=53.7kJ，注明物質(zhì)的聚集狀態(tài)與反應(yīng)熱書寫熱化學(xué)方程式；
（3）減少大氣中并產(chǎn)生清潔能源甲醇；可循環(huán)使用；能量可以循環(huán)利用，低碳經(jīng)濟(jì)等都體現(xiàn)了“綠色自由”構(gòu)想中的“綠色”；
（4）①由圖象知：反應(yīng)Ⅰ在較低溫度T₃時(shí)CO₂就達(dá)到80%的轉(zhuǎn)化率，故催化劑效果最佳的反應(yīng)是反應(yīng)Ⅰ；
②T₃的b點(diǎn)時(shí)，反應(yīng)未達(dá)到限度，故v_（正）＞v_（逆）；
③該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，T₄反應(yīng)已經(jīng)達(dá)到平衡，升高溫度到T₅平衡向逆反應(yīng)移動(dòng)，從而使CO₂的轉(zhuǎn)化率降低．故T₄的a點(diǎn)轉(zhuǎn)化率比T₅的c點(diǎn)高；
④c點(diǎn)時(shí)時(shí)，CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）
起始（mol/L）：0.6               1.8          0           0
轉(zhuǎn)化（mol/L）：$0.6×\frac{2}{3}$   $0.6×\frac{2}{3}$$0.6×\frac{2}{3}$$0.6×\frac{2}{3}$
平衡（mol/L）：0.2       0.6          0.4        0.4
帶入平衡常數(shù)表達(dá)式計(jì)算；
（5）該裝置中，根據(jù)電子流向知，M是負(fù)極，N是正極，正極得電子發(fā)生還原反應(yīng)，反應(yīng)式為CO₂+2e^-+2H⁺=CO+H₂O．

解答 解：（1）吸收池中盛有飽和碳酸鉀溶液，吸收空氣中的二氧化碳，轉(zhuǎn)化為KHCO₃；
故答案為：KHCO₃；
（2）1mol二氧化碳反應(yīng)放出熱量為5370kJ×$\frac{1mol×44g/mol}{4400g}$=53.7kJ，該反應(yīng)的熱化學(xué)方程式為：CO₂（g）+3H₂（g）$\frac{\underline{\;2×105Pa，300℃\;}}{催化劑}$CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-53.7KJ/mol；
故答案為：CO₂（g）+3H₂（g）$\frac{\underline{\;2×105Pa，300℃\;}}{催化劑}$CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-53.7KJ/mol；
（3）減少大氣中并產(chǎn)生清潔能源甲醇；可循環(huán)使用；能量可以循環(huán)利用，低碳經(jīng)濟(jì)等都體現(xiàn)了“綠色自由”構(gòu)想中的“綠色”；
故答案為：減少大氣中并產(chǎn)生清潔能源甲醇；可循環(huán)使用；能量可以循環(huán)利用，低碳經(jīng)濟(jì)等；
（4）①由圖象知：反應(yīng)Ⅰ在較低溫度T₃時(shí)CO₂就達(dá)到80%的轉(zhuǎn)化率，催化劑效果最佳的反應(yīng)是反應(yīng)Ⅰ；
故答案為：Ⅰ；
②T₃的b點(diǎn)時(shí)，反應(yīng)未達(dá)到限度，故v_（正）＞v_（逆）；
故答案為：＞；
③該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，T₄反應(yīng)已經(jīng)達(dá)到平衡，升高溫度到T₅平衡向逆反應(yīng)移動(dòng)，從而使CO₂的轉(zhuǎn)化率降低．T₄的a點(diǎn)轉(zhuǎn)化率比T₅的c點(diǎn)高．
 故答案為：該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，溫度升高，平衡逆向移動(dòng)；
④c點(diǎn)時(shí)，CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）
起始（mol/L）：0.6               1.8          0           0
轉(zhuǎn)化（mol/L）：$0.6×\frac{2}{3}$   $0.6×\frac{2}{3}$$0.6×\frac{2}{3}$$0.6×\frac{2}{3}$
平衡（mol/L）：0.2       0.6          0.4        0.4
在溫度為T₅時(shí)，該反應(yīng)的平衡常數(shù)K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）{c}^{3}（{H}_{2}）}$=$\frac{0.4×0.4}{0.2×0．{6}^{3}}$=3.70；
故答案為：K=3.70；
（5）該裝置中，根據(jù)電子流向知，M是負(fù)極，N是正極，正極得電子發(fā)生還原反應(yīng)，反應(yīng)式為CO₂+2e^-+2H⁺=CO+H₂O；
故答案為：CO₂+2e^-+2H⁺=CO+H₂O．

點(diǎn)評(píng) 本題考查化學(xué)工業(yè)流程、熱化學(xué)方程式書寫、化學(xué)平衡計(jì)算與影響因素、電極反應(yīng)式的書寫等知識(shí)點(diǎn)，綜合性較強(qiáng)，注意把握基礎(chǔ)靈活運(yùn)用，難度中等．