Question

【題目】二氧化碳捕集與封存是應(yīng)對氣候變化問題的解決方案之一。回答下列問題：

(l)我國科研團(tuán)隊(duì)利用低溫等離子體協(xié)同催化技術(shù)，在常溫常壓下實(shí)現(xiàn)了將CO2和CH4一步轉(zhuǎn)化為化工產(chǎn)品。試寫出 CO2與CH4合成乙酸的熱化學(xué)方程式：____。

（甲烷和乙酸的燃燒熱分別為-890.31 kJ/mol、-876.72 kJ/mol）

(2)在某一鋼性密閉容器中CH4、CO2的分壓分別為15 kPa、20 kPa，加入Ni/α-Al2 O3催化劑并加熱至1123 K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v（CO）=1.2810-2﹒p（CH4）p（CO2）（kPa s-1），某時刻測得p(H2)=10 kPa，則 p（CH4）=___kPa，v（CO）=___kPa s-1。

②達(dá)到平衡后測得體系壓強(qiáng)是起始時的，則該反應(yīng)的平衡常數(shù)Kp=____kPa）2。

(3)氮化鎵(GaN)與Cu可組成如圖所示的人工光合系統(tǒng)，該裝置能以CO2和H2O為原料合成CH4。

①該裝置工作時H+移向____（填“GaN”或“Cu”）電極，該電極上的電極反應(yīng)式為 ___。

②該裝置每產(chǎn)生1 mol CH4，左極室溶液質(zhì)量減少____g。

③本實(shí)驗(yàn)條件下，若CO2轉(zhuǎn)化為烴（如甲烷、乙烯等）的轉(zhuǎn)化率為10%，生成CH4的選擇性為12%，現(xiàn)收集到12 mol CH4，則通入的CO2為____mol。（已知：選擇性=生成目標(biāo)產(chǎn)物消耗的原料量／原料總的轉(zhuǎn)化量）

(4)上述人工光合系統(tǒng)裝置也可以制備乙烯、乙炔等重要化工原料。2010年Sheth等研究得出乙炔在Pd表面選擇加氫的反應(yīng)機(jī)理，如下圖所示。其中吸附在Pd表面的物質(zhì)用“*”標(biāo)注。

上述吸附反應(yīng)為 ____填“吸熱”或“放熱”）反應(yīng)，該過程中最小能壘（活化能）為___ kJmol-1，該步驟的化學(xué)方程式為____。

Answer 1

【答案】CH4（g）+CO2（g）＝CH3COOH（l）△H=-13.59 kJ/mol 10 1.92 3200 Cu CO2+8e-+8H+=CH4+2H2O 72 1000 放熱 66 C2H2*+H*=C2H3*

【解析】

（1）根據(jù)甲烷和乙酸的燃燒熱得出熱化學(xué)方程式為：① CH4（g）+2O2（g）＝CO2（g）+2H2O（l） △H=-890.31 kJ/mol，② CH3COOH（l）+2O2（g）=2CO2（g）+2H2O（l） △H=-876.72 kJ/mol ，根據(jù)蓋斯定律①-②得CH4（g）+CO2（g）═CH3COOH（l）△H=-890.31 kJ/mol-(-876.72 kJ/mol)=-13.59 kJ/mol，則CO2與CH4合成乙酸的熱化學(xué)方程式為：CH4（g）+CO2（g）＝CH3COOH（l）△H=-13.59 kJ/mol，故答案為：CH4（g）+CO2（g）＝CH3COOH（l）△H=-13.59 kJ/mol；

（2）①在某一鋼性密閉容器中CH4、CO2的分壓分別為15 kPa、20 kPa，加入Ni/α-A12 O3催化劑并加熱至1123 K使其發(fā)生反應(yīng)：CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g)，則

p（CH4）=10kPa，v（CO）=1.2810-2 p（CH4）p（CO2）（kPa s-1）=1.2810-2×10×15=1.92（kPa s-1），故答案為：10；1.92；

②達(dá)到平衡后測得體系壓強(qiáng)是起始時的，設(shè)達(dá)到平衡狀態(tài)消耗甲烷分壓x，

15-x+20-x+2x+2x=（15+2）×，解得x=10，因此平衡常數(shù)Kp=，故答案為：3200；

（3）①由圖可知，負(fù)極上水失去電子生成氧氣，正極上二氧化碳得到電子生成甲烷，陽離子向正極移動， 正極的電極反應(yīng)為：CO2+8e-+8H+=CH4+2H2O，故答案為：Cu；CO2+8e-+8H+=CH4+2H2O；

②根據(jù)正極反應(yīng)式知每產(chǎn)生1mol CH4轉(zhuǎn)移電子數(shù)為8mol，左極室溶液質(zhì)量較少的是水的質(zhì)量，根據(jù)電子轉(zhuǎn)移守恒及電極反應(yīng)式H2O-4e-=O2↑+4H+得：m(H2O)=18g/mol× =72g，故答案為：72；

③由題意得n（CO2）×10%×12%=12mol，則n（CO2）=1000mol，故答案為：1000；

（4）根據(jù)圖示知，吸附反應(yīng)能量降低，則反應(yīng)為放熱；根據(jù)圖示反應(yīng)中最小能壘（活化能）為66 kJmol-1；該步驟的化學(xué)方程式為：C2H2*+H*=C2H3*；故答案為：放熱；66；C2H2*+H*=C2H3*。