Question

【題目】研究煤的合理利用及CO2的綜合應(yīng)用有著重要的意義。請(qǐng)回答以下問題：

Ⅰ.煤的氣化

已知煤的氣化過程涉及的基本化學(xué)反應(yīng)有：

①C(s)+H2O(g)CO(g)+H2(g) ΔH=+131 kJ/mol

②CO(g)+3H2(g)CH4(g)+H2O(g) ΔH=a kJ/mol

查閱資料反應(yīng)②中相關(guān)化學(xué)鍵鍵能數(shù)據(jù)如下表：

化學(xué)鍵	C≡O(shè)	H－H	H－C	H－O
E/(kJ/mol)	1072	436	414	465

(1)則反應(yīng)②中a=______。

(2)煤直接甲烷化反應(yīng)C(s)＋2H2 (g)CH4(g)的ΔH為______kJ/mol，該反應(yīng)在______(填“高溫”或“低溫”)下自發(fā)進(jìn)行。

Ⅱ.合成低碳烯烴

在體積為1 L的密閉容器中，充入1 mol CO2和2.5 mol H2，發(fā)生反應(yīng)： 2CO2(g)＋6H2(g)C2H4(g)＋4H2O(g) ΔH=－128 kJ/mol，測(cè)得溫度對(duì)催化劑催化效率和CO2平衡轉(zhuǎn)化率的影響如右圖所示：

(3)圖中低溫時(shí)，隨著溫度升高催化劑的催化效率提高，但CO2的平衡轉(zhuǎn)化率卻反而降低，其原因是______。

(4)250℃時(shí)，該反應(yīng)的平衡常數(shù)K值為______。

Ⅲ.合成甲醇

在恒溫2 L容積不變的密閉容器中，充入1 molCO2和3 molH2，發(fā)生反應(yīng)：CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g) +H2O(g) ，測(cè)得不同時(shí)刻反應(yīng)前后容器內(nèi)壓強(qiáng)變化(p后/p前)如下表：

時(shí)間/h	1	2	3	4	5	6
p后/p前	0.90	0.85	0.82	0.81	0.80	0.80

(5)反應(yīng)前1小時(shí)內(nèi)的平均反應(yīng)速率v(H2)為______mol/(L·h)，該溫度下CO2的平衡轉(zhuǎn)化率為______。

Ⅳ.電解逆轉(zhuǎn)化制乙醇

(6)科研人員通過反復(fù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：CO2可以在酸性水溶液中電解生成乙醇，則生成乙醇的反應(yīng)發(fā)生在______極(填“陰”或“陽”)，該電極的反應(yīng)式為______。

Answer 1

【答案】-206 -75 低溫 該反應(yīng)ΔH<0，溫度升高，平衡向逆反應(yīng)方向移動(dòng)，所以CO2的平衡轉(zhuǎn)化率降低 1 0.3 40% 陰 2CO2+12H++12e-=CH3CH2OH+3H2O

【解析】

(1)根據(jù)反應(yīng)熱等于舊鍵斷裂吸收的能量與新鍵形成釋放的能量的差值計(jì)算；

(2)根據(jù)蓋斯定律分析解答；反應(yīng)若自發(fā)進(jìn)行，則△G=ΔH-TΔS<0；

(3)根據(jù)溫度對(duì)催化劑的催化活性和對(duì)化學(xué)平衡移動(dòng)影響分析CO2轉(zhuǎn)化率的變化；

(4)利用化學(xué)平衡常數(shù)定義式計(jì)算；

(5)根據(jù)在恒容密閉容器內(nèi)，氣體的壓強(qiáng)比等于氣體的物質(zhì)的量的比，計(jì)算出H2物質(zhì)的量的改變值，再根據(jù)速率的定義計(jì)算；同時(shí)利用變化關(guān)系計(jì)算出平衡時(shí)CO2改變的物質(zhì)的量，利用物質(zhì)的轉(zhuǎn)化率為質(zhì)量除以起始量，計(jì)算出該溫度下CO2的平衡轉(zhuǎn)化率；

(6)根據(jù)陽極發(fā)生氧化反應(yīng)，陰極發(fā)生還原反應(yīng)，結(jié)合溶液的酸堿性書寫電極反應(yīng)式。

(1)根據(jù)反應(yīng)方程式CO(g)+3H2(g)CH4(g)+H2O(g) ΔH=a kJ/mol，可知ΔH=(1072+3×436-4×414-2×465)kJ/mol=-206kJ/mol；

(2)①+②，整理可得：C(s)＋2H2 (g)CH4(g)的ΔH=+131 kJ/mol-206kJ/mol=-75kJ/mol；該反應(yīng)是氣體體積減小的放熱反應(yīng)，根據(jù)體系的自由能公式△G=ΔH-TΔS，若反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行，則△G=ΔH-TΔS<0，所以溫度較低時(shí)△G<0，反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行；

(3)由圖分析可知在250℃時(shí)催化劑活性最大，在低于該溫度時(shí)，升高溫度，催化劑活性增強(qiáng)；而CO2的平衡轉(zhuǎn)化率卻隨溫度的升高反而降低，是由于該反應(yīng)的正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，升高溫度，化學(xué)平衡向吸熱的逆反應(yīng)方向移動(dòng)，使反應(yīng)物CO2轉(zhuǎn)化率降低；

(4)在250℃時(shí)CO2轉(zhuǎn)化率為50%,根據(jù)起始時(shí)加入的物質(zhì)的物質(zhì)的量及反應(yīng)2CO2(g)+6H2(g)C2H4(g)+4H2O(g)中各種物質(zhì)的轉(zhuǎn)化關(guān)系可知，達(dá)到平衡時(shí)各種物質(zhì)的平衡濃度分別為c(CO2)=0.5mol/L；c(H2)=1.0mol/L；c(C2H4)=0.25mol/L；c(H2O)=1.0mol/L，則該溫度下的化學(xué)平衡常數(shù)K=；

(5)化學(xué)反應(yīng)：2CO2(g)+6H2(g)C2H4(g)+4H2O(g)

n(開始)/mol 1 3 0 0

1h△n/mol x 3x x x

△n(平衡)/mol y 3y y y

在1h時(shí)氣體的總物質(zhì)的量n=(1-x)+(3-3x)+x+x=(4-2x)mol，開始時(shí)總物質(zhì)的量為4mol，根據(jù)，解得x=0.2mol，所以H2改變的物質(zhì)的量為3×0.2mol=0.6mol， v(H2)=mol/(Lh)；

在平衡時(shí)氣體的總物質(zhì)的量n=(1-y)+(3-3y)+y+y=(4-2y)mol，開始時(shí)總物質(zhì)的量為4mol，根據(jù)，解得y=0.4mol，所以CO的平衡轉(zhuǎn)化率=(0.4mol÷1mol)×100%=40%；

(6)CO2中的C化合價(jià)為+4價(jià)，乙醇CH3CH3OH中C的平均化合價(jià)為-2價(jià)，化合價(jià)降低，獲得電子，所以生成乙醇的反應(yīng)發(fā)生在陰極，在酸性條件下，CO2在陰極獲得電子，變?yōu)橐掖�，電極反應(yīng)式為：2CO2+12H++12e-=CH3CH2OH+3H2O。