Question

【題目】“低碳經(jīng)濟”已成為全世界科學家研究的重要課題。為減小和消除CO2對環(huán)境的影響，一方面世界各國都在限制其排放量，另一方面科學家加強了對CO2創(chuàng)新利用的研究。

(1)已知：①CO(g)＋H2O(g)H2(g)＋CO2(g)　ΔH＝－41 kJ·mol－1

②C(s)＋2H2(g) CH4(g)　ΔH＝－73 kJ·mol－1

③2CO(g) C(s)＋CO2(g)　ΔH＝－171 kJ·mol－1

寫出CO2與H2反應生成CH4和H2O(g)的熱化學方程式：____

(2)目前工業(yè)上有一種方法是用CO2來生產燃料甲醇。為探究該反應原理，在容積為2 L密閉容器中，充入1 mol CO2和3.25 mol H2在一定條件下發(fā)生反應，測得CO2、CH3OH(g)和H2O(g)的物質的量(n)隨時間的變化如圖所示：

①從反應開始到平衡，氫氣的平均反應速率v(H2)＝________。

②下列措施一定不能使CO2的平衡轉化率增大的是________。

A 在原容器中再充入1 mol CO2 　

B 在原容器中再充入1 mol H2

C 在原容器中充入1 mol氦氣

D 使用更有效的催化劑

E 縮小容器的容積

F 將水蒸氣從體系中分離

(3)煤化工通常研究不同條件下CO轉化率以解決實際問題。已知在催化劑存在條件下反應：CO(g)＋H2O(g) H2(g)＋CO2(g)中CO的平衡轉化率隨p(H2O)/p(CO)及溫度變化關系如圖所示：

①上述反應的正反應方向是________反應(填“吸熱”或“放熱”)；

②對于氣相反應，用某組分(B)的平衡壓強(pB)代替物質的量濃度(cB)也可以表示平衡常數(shù)(記作Kp)，則該反應的Kp＝_____（填表達式，不必代數(shù)計算）；如果提高p（H2O）/p（CO），則Kp_______(填“變大”“變小”或“不變”)。使用鐵鎂催化劑的實際工業(yè)流程中，一般采用400 ℃左右、p（H2O）/p（CO）＝3～5，采用此條件的原因可能是_______

(4)科學家用氮化鎵材料與銅組裝成如圖所示的人工光合系統(tǒng)，利用該裝置實現(xiàn)了用CO2和H2O合成CH4。下列關于該電池的敘述錯誤的是________。

A．該裝置能量轉化形式僅存在將太陽能轉化為電能

B．銅電極為正極，電極反應式為CO2＋8e－＋8H＋===CH4＋2H2O

C．電池內部H＋透過質子交換膜從左向右移動

Answer 1

【答案】CO2(g)＋4H2(g)CH4(g)＋2H2O(g)　ΔH＝－162 kJ·mol－1 0.112 5 mol·L－1·min－1 ACD 放熱 pCO2pH2/pCOpH2O 不變 催化劑的活性溫度在400 ℃左右；投料比太低，CO的平衡轉化率不高，而400 ℃左右，投料比3～5時CO的平衡轉化率較高，已能滿足要求，再增加投料比，成本增大，但CO的平衡轉化率提高不多，經(jīng)濟上不合算 A

【解析】

(1)依據(jù)熱化學方程式和蓋斯定律分析計算；

(2)①根據(jù)圖知，達到平衡狀態(tài)時n(CH3OH)=n(H2O)=0.75mol，根據(jù)H原子守恒得消耗n(H2)=2n(CH3OH)+n(H2O)=2×0.75mol+0.75mol=2.25mol，結合v(H2)=計算；

②使CO2的轉化率增大須使平衡向正反應方向移動，可采取的措施有增大壓強、分離生成物或增加另一種反應物等措施；

(3)①由圖可知，在相同的時，溫度越高，CO的轉化率越低，據(jù)此分析判斷；②根據(jù)平衡常數(shù)的含義結合平衡常數(shù)只與溫度有關判斷；結合投料比、催化劑的活性、經(jīng)濟成本分析解答；

(4)該裝置中，根據(jù)電子流向可知GaN是負極、Cu是正極，負極反應式為：2H2O-4e-=4H++O2↑，正極反應式為：CO2+8e-+8H+=CH4+2H2O，據(jù)此分析解答。

(1)①CO(g)+H2O(g)H2(g)+CO2(g)△H=-41kJmol-1，②C(s)+2H2(g)CH4(g)△H=-73kJmol-1，③2CO(g)C(s)+CO2(g)△H=-171kJmol-1，蓋斯定律計算②+③-①×2 得到CO2(g)+4H2(g)═CH4(g)+2H2O(g)△H=-162 kJmol-1，故答案為：CO2(g)＋4H2(g)CH4(g)＋2H2O(g)　ΔH＝-162 kJmol-1；

(2)①根據(jù)圖知，達到平衡狀態(tài)時n(CH3OH)=n(H2O)=0.75mol，根據(jù)H原子守恒得消耗n(H2)=2n(CH3OH)+n(H2O)=2×0.75mol+0.75mol=2.25mol，從反應開始到平衡，氫氣的平均反應速率v(H2)===0.1125mol/(Lmin)，故答案為：0.1125mol/(Lmin)；

②A．在原容器中再充入l mol CO2，平衡正向移動，但是反應消耗的二氧化碳增加量小于加入二氧化碳增加量，所以二氧化碳的轉化率減小，故A選；B．在原容器中再充入1mol H2，平衡正向移動，消耗的二氧化碳量增加，則二氧化碳轉化率增大，故B不選；C．在原容器中充入l mol氦氣，參加反應的各物質的物質的量濃度不變，平衡不移動，則二氧化碳轉化率不變，故C選；D．使用更有效的催化劑，增大化學反應速率，但是平衡不移動，則二氧化碳轉化率不變，故D選；E．縮小容器的容積，增大壓強平衡向氣體體積減小的正反應方向移動，二氧化碳轉化率增大，故E不選；F．將水蒸氣從體系中分離，平衡正向移動，二氧化碳轉化率增大，故F不選；不能使CO2的平衡轉化率增大的有ACD，故答案為：ACD；

(3)①由圖可知，在相同的時，溫度越高，CO的轉化率越低，說明升高溫度，平衡逆向移動，說明正反應為放熱反應，故答案為：放熱；

②對于氣相反應，用某組分(B)的平衡壓強(pB)代替物質的量濃度也可以表示平衡常數(shù)(記作Kp)，反應的平衡常數(shù)=；平衡常數(shù)只與溫度有關，與濃度無關，所以提高比，則KP不變；由圖象可知，投料比太低，CO的轉化率不太高，而投料比3～5時轉化率已經(jīng)很高，再增加投料比，需要大大的增加蒸汽添加量，這樣在經(jīng)濟上不合算，溫度在400℃左右時催化劑的活性最大，所以一般采用400℃左右， =3～5，故答案為：；不變；催化劑的活性溫度在400 ℃左右；投料比太低，CO的平衡轉化率不高，而400 ℃左右，投料比3～5時CO的平衡轉化率較高，已能滿足要求，再增加投料比，成本增大，但CO的平衡轉化率提高不多，經(jīng)濟上不合算；

(4) A．根據(jù)圖示可知，該裝置中將太陽能轉化為電能和化學能，故A錯誤；B．根據(jù)電子流向可知，Cu是正極，正極上二氧化碳得電子和氫離子反應生成甲烷，電極反應式為：CO2+8e-+8H+=CH4+2H2O，故B正確；C．放電時，電解質溶液中陽離子向正極移動，所以裝置中的H+由左向右移動，故C正確；故選A。