Question

【題目】二氧化碳的回收利用是環(huán)保領(lǐng)域研究熱點。

（l）在太陽能的作用下，以CO2為原料制取炭黑的流程如圖所示，總反應(yīng)的化學(xué)方程式為_________。

（2）工業(yè)上可用CO2和H2反應(yīng)制得甲醇。在2×105Pa、300℃的條件下，CO2和H2反應(yīng)生成甲醇和液態(tài)水，當(dāng)消耗2molCO2時放出98kJ的熱量，該反應(yīng)的熱化學(xué)方程式為___________。

（3）如利用CO2和CH4重整可制合成氣（主要成分為CO、H2）, 其原理為：CO2(g)+CH4(g) 2CO(g)+2H2(g)。在密閉容器中通入物質(zhì)的量均為1mol的CH4和CO2，在一定條件下發(fā)生反應(yīng)。CH4的平衡轉(zhuǎn)化率與溫度及壓強（單位Pa）的關(guān)系如圖所示：

①壓強：P1_____P2（填“>”、“=”或“<”，下同) , y點：V正_______V逆。

②已知氣體分壓（P分）=氣體總壓（P總）×氣體的體積分?jǐn)?shù)。用氣體分壓代替平衡濃度可以得到平衡常數(shù)KP，求X點對應(yīng)溫度下反應(yīng)的平衡常數(shù)KP=________。

（4）Na2CO3溶液也通常用來捕獲CO2，發(fā)生如下反應(yīng)：CO32-+CO2+H2O2HCO3-，用0.12mol/LNa2CO3溶液若吸收CO2一段時間后，溶液的pH=7，溶液中c(HCO3-)/c(CO32-)=10，則溶液中的c(CO32-) =__________。

（5）甲醇燃料電池（簡稱DMFC）可作為常規(guī)能源的替代品而備受關(guān)注。DMFC的工作原理如圖所示：

①加入a物質(zhì)的電極是電池的______（填“正”或“負(fù)”）極，其電極反應(yīng)式為_______。

②常溫下以該裝置作電源，用情性電極電解NaCl和CuSO4的混合溶液，當(dāng)電路中通過0.4 mol 電子的電量時，兩電極均得到0.14mol的氣體。若電解后溶液體積為40L，則電解后溶液的pH=_____。

Answer 1

【答案】 CO2 C+O2 CO2(g)+3H2(g)=CH3OH(l)+H2O(l) △H＝-49kJ·mol-1 ＜ > Pa2 0.02mol/L 負(fù) CH3OH+H2O-6e-=CO2+6H+ 11

【解析】(l)在700K條件下，CO2和FeO發(fā)生反應(yīng)生成C和Fe3O4，過程1中Fe3O4分解生成FeO和O2，所以整個反應(yīng)過程中FeO作催化劑，根據(jù)反應(yīng)物和生成物及反應(yīng)條件書寫方程式為CO2 C+O2；

(2)在2×105Pa、300℃的條件下，CO2和H2反應(yīng)生成甲醇和水，當(dāng)消耗2molCO2時放出98kJ的熱量，消耗1molCO2時，反應(yīng)放出熱量49kJ，則該反應(yīng)的熱化學(xué)方程式為：CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)△H=-49kJ/mol；

(3)①該反應(yīng)正向為體積增大的方向，壓強越大，CH4的轉(zhuǎn)化率越小，已知相同溫度下，P1條件下的轉(zhuǎn)化率大于P2，則P1＜P2；壓強為P2時，在Y點反應(yīng)未達到平衡，則反應(yīng)正向移動，所以v(正)＞v(逆)；

② CO2(g)+CH4(g) 2CO(g)+2H2(g)

起始物質(zhì)的量(mol) 1 1 0 0

變化物質(zhì)的量(mol) 0.5 0.5 1 1

平衡物質(zhì)的量(mol) 0.5 0.5 1 1

則平衡時：CO2(g)的分壓為P總=P總，CH4(g) 的分壓為P總，CO(g)的分壓為P總，H2(g)的分壓為P總，X點對應(yīng)溫度下反應(yīng)的平衡常數(shù)KP==Pa2；

(4)設(shè)溶液中的c(CO32-) 為cmol/L，則反應(yīng)中減小的c(CO32-) 為(0.12-c)mol/L，生成的c(HCO3-)為2(0.12-c)mol/L，根據(jù)c(HCO3-)/c(CO32-)=10，即2(0.12-c)÷c=10，解得：c=0.02，即最終溶液中的c(CO32-)為0.02mol/L；

(5)①根據(jù)裝置圖分析，a電極處電子流出，做原電池負(fù)極，物質(zhì)發(fā)生氧化反應(yīng)，負(fù)極為甲醇失去電子，考慮到有H+轉(zhuǎn)移到正極處，則電極產(chǎn)物為CO2和H+，則其電極反應(yīng)式為：CH3OH+H2O-6e-═CO2+6H+；
②惰性電極電解NaCl和CuSO4的混合溶液，電解時，溶液中陽離子向陰極移動，陰離子向陽極移動，根據(jù)放電順序，陰極放電順序為：Cu2+，Na+，陽極放電順序為：Cl-，SO42-，當(dāng)電路中通過0.4mol電子的電量時，兩電極均得到0.14mol的氣體，陽極可以得到Cl2，陰極只可以得到H2，陽極可以產(chǎn)生Cl2和O2，陰極得到0.14molH2，轉(zhuǎn)移的電子數(shù)為0.14mol×2=0.28mol，由于電路中通過0.4mol電子，則電解Cu2+時轉(zhuǎn)移電子數(shù)為0.4mol-0.28mol=0.12mol，陽極可以產(chǎn)生Cl2和O2，產(chǎn)生這兩種氣體的物質(zhì)的量一共為0.14mol，轉(zhuǎn)移的電子數(shù)為0.4mol，則有關(guān)系：n(Cl2)+n(O2)＝0.14mol、2n(Cl2)+4n(O2)＝0.4mol，解得：n(Cl2)＝0.08mol、n(O2)＝0.06mol，產(chǎn)生0.06molO2，H2產(chǎn)生由水放電而來，電極反應(yīng)為：2H2O+2e-═H2↑+2OH-，產(chǎn)生0.14molH2，溶液中生成0.28molOH-，陽極產(chǎn)生O2由OH-放電而來，電極反應(yīng)為：4OH--4e-═O2↑+2H2O，產(chǎn)生0.06molO2消耗0.24molOH-，則溶液中剩余OH-的物質(zhì)的量為0.28mol-0.24mol=0.04mol，電解后溶液的體積為40L，則溶液中c(OH-)==0.001mol/L，則溶液中pOH=-lgc(OH-)=3，所以溶液pH=14-pOH=11。