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【題目】CO2是引起“溫室效應”的主要物質,CO2的甲烷化可以實現其循環(huán)利用。

甲烷化過程中,可能發(fā)生如下反應:

I. CO2 (g)+4H2(g) CH4(g)+2H2O(g) △H1

II. CO2 (g)+4H2(g) CO(g)+2H2O(g) △H2

已知反應II中相關的化學鍵鍵能數據如下:

化學鍵

H—H

C=O

CO

H—O

E/(kJ·mol-1)

436

750

1076

463

由此計算△H2=_________________。

(2)在常壓、催化劑條件下,將CO2 和H2 (體積比為1:4,總物質的量為m mol)置于密閉容器中,發(fā)生反應I和II。測得CO2轉化率、CH4和CO選擇性隨溫度變化情況分別如圖1和圖2所示(選擇性:轉化的CO2中生成CH4或CO的百分比)

①由圖1和圖2可知,△H1___0(填“>”或“<”),____________可影響催化劑的選擇性。

②由圖1可知CO2的轉化率呈現先升高后降低的變化趨勢,其原因是________________________________。

③下列措施能提高CO2平衡轉化率的是__________(填標號)

A.提高原料氣中H2所占比例 B.適當增大壓強 C.升高溫度 D.增大催化劑的比表面積 E.前段加熱,后段冷卻

④350℃時,反應在t1時刻達到平衡,平衡時容器體積為VL,該溫度下反應I的平衡常數為_____(用m、V表示)。

⑤550℃時,反應在t2時刻達到平衡,此時容器中H2O(g)的物質的量為__mol(用m表示)

(3)CO2與NaOH溶液反應得到Na2CO3溶液。電解Na2CO3溶液的原理如圖所示,陽極的電極反應式為______________________________________

【答案】 -66kJ/mol < 溫度 溫度較低時,溫度越高,速率越快,轉化率逐漸增大;溫度較高時,由于兩反應均為放熱反應,溫度越高,平衡逆移,轉化率越低(其它答案合理也可) ABE 625V2/m2 0.198m 4CO32-+2H2O-4e-==4HCO3-+O2

【解析】(1)反應熱=反應物總鍵能生成物總鍵能, △H2=(2×750+436)kJmol1(1076 kJmol1+2×463 kJmol1)= -66kJ/mol 答案為-66kJ/mol

(2)①由圖Ⅰ可知,反應Ⅰ達到平衡狀態(tài)后,隨溫度升高二氧化碳平衡轉化率減小,說明正反應為放熱反應,故△H1<0;由圖II可知催化劑的選擇性受到溫度的影響。②CO2的轉化率先增大是反應正向進行未達平衡狀態(tài),達到平衡狀態(tài)后升高溫度,由于反應I和II都是放熱反應,平衡向逆反應方向移動,導致CO2的轉化率降低。③A.提高原料氣中H2所占比例,有利于平衡正向移動,增大CO2的轉化率,A正確;B.適當增大壓強,反應I正向移動,反應II無影響,可導致CO2的轉化率增大,B正確;C. 反應I和II都是放熱反應,升高溫度平衡逆向移動,導致CO2的轉化率減小,C錯誤;D.催化劑不影響平衡的移動,不影響CO2的轉化率,D錯誤;E.前段加熱,反應速率加快,有利于增大CO2的轉化率,后段冷卻平衡正向移動,CO2的轉化率增大,E正確。

④根據圖I 350℃CO2的平衡轉化率為0.8,三段式進行計算

CO2(g)+4H2(g)CH4(g)+2H2O(g) 

n 0.2m 0.8m 0 0

轉化n 0.2m ×0.8 0.2m ×0.8×4 0.2m×0.8 0.2m ×0.8×2

平衡n 0.2m ×0.2 0.2m×0.8 0.2m ×0.8 0.2m ×1.6

代入求平衡常數K=[ 0.2m×0.8×(0.2m ×1.6)2×] /[ 0.2m ×0.2×(0.2m×0.8)4×]=625V2/m2

⑤根據圖I可知550℃CO2的平衡轉化率為0.6,根據圖II可知,轉化的CO265%生成CH435%生成CO,根據反應I. CO2 (g)+4H2(g) CH4(g)+2H2O(g)、II. CO2 (g)+H2(g) CO(g)+H2O(g)這兩個方程式可得:550℃時,達到平衡,此時容器中H2O(g)的物質的量為:0.2m ×0.6×65%×2+0.2m ×0.6×35%=0.198m。答案為①< 、 溫度②溫度較低時,溫度越高,速率越快,轉化率逐漸增大;溫度較高時,由于兩反應均為放熱反應,溫度越高,平衡逆移,轉化率越低(其它答案合理也可) ③ ABE 625V2/m2 (單位可寫可不寫) ⑤0.198m

(3)陽極發(fā)生氧化反應,水中的氫氧根離子失去電子生成氫離子和氧氣,氫離子與碳酸根離子結合生成碳酸氫根離子,電極反應式為4CO32-+2H2O-4e-==4HCO3-+O2↑答案為:4CO32-+2H2O-4e-==4HCO3-+O2

練習冊系列答案
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