Question

【題目】一定條件下，二氧化碳可合成低碳烯烴，緩解溫室效應(yīng)、充分利用碳資源。

（1）已知：①C2H4(g)+2O2(g)=2CO2(g)+2H2(g) ΔH1

②2H2(g)+O2(g)=2H2O(1) ΔH2

③H2O(1)=H2O(g) ΔH3

④2CO2(g)+6H2(g)C2H4(g)+4H2O(g) ΔH4

則ΔH4=___(用ΔH1、ΔH2、ΔH3表示)。

（2）反應(yīng)④的反應(yīng)溫度、投料比[=x]對(duì)CO2平衡轉(zhuǎn)化率的影響如圖所示。

①a__3（填“>”、“<”或“=”）；M、N兩點(diǎn)反應(yīng)的平衡常數(shù)KM__KN（填填“>”、“<”或“=”）

②M點(diǎn)乙烯體積分?jǐn)?shù)為__；（保留2位有效數(shù)字）

③300℃，往6L反應(yīng)容器中加入3molH2、1molCO2，反應(yīng)10min達(dá)到平衡。求0到10min氫氣的平均反應(yīng)速率為__；

（3）中科院蘭州化學(xué)物理研究所用Fe3(CO)12/ZSM-5催化CO2加氫合成低碳烯烴反應(yīng)，所得產(chǎn)物含CH4、C3H6、C4H8等副產(chǎn)物，反應(yīng)過程如圖。

催化劑中添加Na、K、Cu助劑后（助劑也起催化作用）可改變反應(yīng)的選擇性，在其他條件相同時(shí)，添加不同助劑，經(jīng)過相同時(shí)間后測(cè)得CO2轉(zhuǎn)化率和各產(chǎn)物的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)如下表。

助劑	CO2轉(zhuǎn)化率 （%）	各產(chǎn)物在所有產(chǎn)物中的占比（%）
		C2H4	C3H6	其他
Na	42.5	35.9	39.6	24.5
K	27.2	75.6	22.8	1.6
Cu	9.8	80.7	12.5	6.8

①欲提高單位時(shí)間內(nèi)乙烯的產(chǎn)量，在Fe3(CO)12/ZSM-5中添加__助劑效果最好；加入助劑能提高單位時(shí)間內(nèi)乙烯產(chǎn)量的根本原因是__；

②下列說法正確的是__；

a．第ⅰ步所反應(yīng)為：CO2+H2CO+H2O

b．第ⅰ步反應(yīng)的活化能低于第ⅱ步

c．催化劑助劑主要在低聚反應(yīng)、異構(gòu)化反應(yīng)環(huán)節(jié)起作用

d．Fe3(CO)12/ZSM-5使CO2加氫合成低碳烯烴的ΔH減小

e．添加不同助劑后，反應(yīng)的平衡常數(shù)各不相同

（4）2018年，強(qiáng)堿性電催化還原CO2制乙烯研究取得突破進(jìn)展，原理如圖所示。

①b極接的是太陽能電池的__極；

②已知PTFE浸泡了飽和KCl溶液，請(qǐng)寫出陰極的電極反應(yīng)式__。

Answer 1

【答案】2△H2+4△H3-△H1 > > 9.7%或 0.03mol·L-1·min-1 K 降低生成乙烯的反應(yīng)所需要的活化能，加快乙烯生成速率，而對(duì)其他副反應(yīng)幾乎無影響 ac 正 2CO2+12e-+8H2O=C2H4+12OH-

【解析】

（1）利用蓋斯定律計(jì)算；

（2）從圖上看，投料比相同時(shí)，溫度升高，二氧化碳轉(zhuǎn)化率減小，說明溫度升高，平衡逆向移動(dòng)，逆反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，正反應(yīng)是放熱反應(yīng)，△H<0；投料比從3到a，二氧化碳的轉(zhuǎn)化率增大，說明3到a投料比在增大；而平衡常數(shù)只和溫度有關(guān)；平衡題中的計(jì)算用三行式解答；

（3）從表格來看，使用Na作助劑轉(zhuǎn)化率最高，但乙烯含量最低，使用Cu作助劑依稀含量最高，但二氧化碳轉(zhuǎn)化率最低，使用K作助劑二氧化碳轉(zhuǎn)化率高且乙烯含量也高，單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)出乙烯最多；加入助劑使反應(yīng)具有選擇性的原因是助劑降低了某個(gè)反應(yīng)所需的活化能，相同條件下更容易發(fā)生某個(gè)反應(yīng)所致；

（4）PTFE電極CO2變成C2H4，碳元素化合價(jià)從+4降低到-2，為陰極；

據(jù)以上分析作答。

（1）根據(jù)蓋斯定律，方程式有如下關(guān)系：2×②-①+4×③=④，所以△H 4=2△H2+4△H3-△H1，故答案為：2△H2+4△H3-△H1；

（2）①相同溫度下，投料比從3→a，二氧化碳轉(zhuǎn)化率增大，說明投料比在增大，所以a>3，投料比相同時(shí)，升高溫度，二氧化碳轉(zhuǎn)化率減小，說明升高溫度，平衡逆向移動(dòng)，則K減小，而N點(diǎn)溫度高于M點(diǎn)，所以KM>KN，故答案為：>；>；

②由圖可知,M點(diǎn)投料比為3，二氧化碳轉(zhuǎn)化率為0.6，設(shè)開始投入1mol二氧化碳，3mol氫氣，則二氧化碳轉(zhuǎn)化量為0.6，用三行式解法如下：

所以M點(diǎn)乙烯的體積分?jǐn)?shù)=×100%=9.7%，故答案為：9.7%；

③同樣用三行式來解如下：

可知，氫氣在這10min消耗了1.8mol，所以濃度減小值==0.3mol·L-1，所以v(H2)==0.03mol·（L·min）-1，故答案為：0.03mol·L-1·min-1；

（3）①使用Na作助劑轉(zhuǎn)化率最高，但乙烯含量最低，使用Cu作助劑依稀含量最高，但二氧化碳轉(zhuǎn)化率最低，使用K作助劑二氧化碳轉(zhuǎn)化率高且乙烯含量也高,單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)出乙烯最多；加入助劑使生成乙烯具有選擇性的原因是助劑降低了生成乙烯反應(yīng)所需的活化能，相同條件下更容易生成乙烯，而其他副反應(yīng)幾乎無影響；故答案為：K；降低生成乙烯的反應(yīng)所需要的活化能，加快乙烯生成速率，而對(duì)其他副反應(yīng)幾乎無影響；

②a．由條件可知第ⅰ步反應(yīng)物為二氧化碳和氫氣，生成物有CO，根據(jù)氧化還原反應(yīng)可得方程式為CO2+H2CO+H2O，a正確；

b．第ⅰ步反應(yīng)明顯慢于第ⅱ步反應(yīng)，故第ⅱ步反應(yīng)更容易發(fā)生，第ⅱ步反應(yīng)的活化能更低，b錯(cuò)誤；

c．從圖上看生成CH4、C3H6、C4H8等副產(chǎn)物主要在低聚反應(yīng)、異構(gòu)化反應(yīng)環(huán)節(jié)，所以助劑主要在低聚反應(yīng)、異構(gòu)化反應(yīng)環(huán)節(jié)起作用，c正確；

d．ΔH與反應(yīng)途徑無關(guān)，只和起始有關(guān)，d錯(cuò)誤；

e．反應(yīng)的平衡常數(shù)只和溫度有關(guān)，溫度不變，K不變，e錯(cuò)誤；

故答案為：ac；

（4）①PTFE(a極)電極CO2變成C2H4，碳元素化合價(jià)從+4降低到-2，為陰極，則b極為陽極，與太陽能電池正極相連，故答案為：正；

②陰極的電極反應(yīng)式為2CO2+12e-+8H2O=C2H4+12OH-，故答案為：2CO2+12e-+8H2O=C2H4+12OH-。