Question

【題目】利用太陽能、風(fēng)能、生物質(zhì)能等可再生能源，轉(zhuǎn)化利用二氧化碳設(shè)計出適合高效清潔的合成燃料分子結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)CO2+H2O→CxHy的分子轉(zhuǎn)化，生產(chǎn)合成甲烷、醇醚燃料、烷烴柴油、航空燃油等可再生合成燃料。因此二氧化碳的捕集、利用是我國能源領(lǐng)域的一個重要戰(zhàn)略方向。

(1)一定條件下，在CO2與足量碳反應(yīng)所得平衡體系中加入H2和適當催化劑，有下列反應(yīng)發(fā)生：

CO(g)+3H2(g)CH4(g)+H2O(g) △H1=-206.2kJ/mol

CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g) H2

若CO2氧化H2生成0.1molCH4(g)和一定量的H2O(g)，整個過程中放出的熱量為16.5kJ，則△H2=__。

(2)合成二甲醚的總反應(yīng)為2CO2(g)+6H2(g)CH3OCH3(g)+3H2O(g) H=-122.4kJ·mol-1。某溫度下，將2.0molCO2(g)和6.0molH2(g)充入容積為2L的密閉容器中，反應(yīng)到達平衡時，改變壓強和溫度，平衡體系中CH3OCH3(g)的物質(zhì)的量分數(shù)變化情況如圖所示，則p1__(填“>”“<"或“=”，下同)p2。若T3、p3，T4、p4時平衡常數(shù)分別為K3、K4則K3__K4，T1、p1時H2的平衡轉(zhuǎn)化率為___。(結(jié)果保留三位有效數(shù)字)

(3)向2L密閉容器中加入2molCO2和6molH2，在適當?shù)拇呋瘎┳饔孟�，下列反�?yīng)能自發(fā)進行：CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)。

①該反應(yīng)△H__(填“>”“<”或“=”)0。

②下列敘述能說明此反應(yīng)達到平衡狀態(tài)的是__(填字母代號)。

a．混合氣體的平均相對分子質(zhì)量保持不變

b．1molCO2生成的同時有3molH-H鍵斷裂

c．CO2的轉(zhuǎn)化率和H2的轉(zhuǎn)化率相等

d．混合氣體的密度保持不變

③上述反應(yīng)常用CuO和ZnO的混合物作催化劑。相同的溫度和時間段內(nèi)，催化劑中CuO的質(zhì)量分數(shù)對CO2的轉(zhuǎn)化率和CH3OH的產(chǎn)率影響的實驗數(shù)據(jù)如下表所示：

ω(CuO)%	10	20	30	40	50	60	70	80	90
CH3OH的產(chǎn)	25%	30%	35%	45%	50%	65%	55%	53%	50%
CO2的轉(zhuǎn)化率	10%	13%	15%	20%	35%	45%	40%	35%	30%

由表可知，CuO的質(zhì)量分數(shù)為__催化效果最佳。

(4)CO2可用于工業(yè)制備草酸鋅，其原理如圖所示(電解液不參加反應(yīng))，Zn電極是__極。已知在Pb電極區(qū)得到ZnC2O4，則Pb電極上的電極反應(yīng)式為__。

Answer 1

【答案】-41.2kJ/mol > < 57.1% < ab 60 陽 2CO2+2e-==C2O42-

【解析】

(1)由“若CO2氧化H2生成0.1molCH4(g)和一定量的H2O(g)，整個過程中放出的熱量為16.5kJ”，我們可寫出熱化學(xué)方程式為：CO2(g)+4H2(g)==CH4(g)+2H2O(g) △H=-165.0kJ/mol，利用蓋斯定律，可求出△H2。

(2)正反應(yīng)為放熱的體積縮小的可逆反應(yīng)，依據(jù)平衡移動原理，增大壓強、降低溫度，平衡都正向移動，提取圖中信息，便可得出p1與p2、K3與K4關(guān)系及T1、p1時H2的平衡轉(zhuǎn)化率。

(3)①利用H-TS<0，可判斷該反應(yīng)的△H與0的關(guān)系。

②a．混合氣體的平均相對分子質(zhì)量保持不變，則氣體的總物質(zhì)的量不變；

b．1molCO2生成的同時有3molH-H鍵斷裂，反應(yīng)的方向相反，數(shù)值之比等于化學(xué)計量數(shù)之比；

c．對于該反應(yīng)，CO2的轉(zhuǎn)化率和H2的轉(zhuǎn)化率始終相等；

d．對于該反應(yīng)，混合氣體的密度始終保持不變。

③由表中數(shù)據(jù)，可確定CuO的催化效果的最佳點。

(4)因為在Pb電極區(qū)得到ZnC2O4，則表明Pb電極上CO2得電子，作陰極，由此可確定Zn電極作電解池的電極名稱，并可寫出Pb電極上的電極反應(yīng)式。

(1)由“若CO2氧化H2生成0.1molCH4(g)和一定量的H2O(g)，整個過程中放出的熱量為16.5kJ”，我們可寫出熱化學(xué)方程式為：

CO2(g)+4H2(g)==CH4(g)+2H2O(g) △H=-165.0kJ/mol ①

CO(g)+3H2(g)CH4(g)+H2O(g) △H1=-206.2kJ/mol ②

利用蓋斯定律，將②-①，即得CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g) H2=-41.2kJ/mol。答案為：-41.2kJ/mol；

(2)合成二甲醚的總反應(yīng)為2CO2(g)+6H2(g)CH3OCH3(g)+3H2O(g) H=-122.4kJ·mol-1，

正反應(yīng)為放熱的體積縮小的可逆反應(yīng)，依據(jù)平衡移動原理，增大壓強，平衡正向移動；降低溫度，平衡正向移動，平衡常數(shù)增大。提取圖中信息，p1、T4時，二甲醚的物質(zhì)的量分數(shù)大，所以p1>p2，T3>T4，則K3<K4。從圖中可以看出，T1、p1時，二甲醚的物質(zhì)的量分數(shù)為0.1，假設(shè)某溫度下，將2.0molCO2(g)和6.0molH2(g)充入容積為2L的密閉容器中，反應(yīng)到達平衡時，改變壓強和溫度，CO2的變化量為2x，三段式為：

則，x=mol，H2的平衡轉(zhuǎn)化率為=57.1%。答案為：>；<；57.1%；

(3) ①S<0，利用H-TS<0，可判斷該反應(yīng)的△H<0。答案為：<；

②a．混合氣體的平均相對分子質(zhì)量保持不變，則氣體的總物質(zhì)的量不變，表明反應(yīng)達平衡狀態(tài)，a符合題意；

b．1molCO2生成的同時有3molH-H鍵斷裂，反應(yīng)的方向相反，數(shù)值之比等于化學(xué)計量數(shù)之比，表明反應(yīng)達平衡狀態(tài)，b符合題意；

c．對于該反應(yīng)，反應(yīng)物的起始投入量之比等于化學(xué)計量數(shù)之比，所以不管反應(yīng)進行到什么程度，CO2的轉(zhuǎn)化率和H2的轉(zhuǎn)化率始終相等，則反應(yīng)不一定達平衡狀態(tài)，c不合題意；

d．對于該反應(yīng)，混合氣體的質(zhì)量與體積都不變，所以密度始終保持不變，反應(yīng)不一定達平衡狀態(tài)，d不合題意。答案為：ab；

③由表可知，CuO的質(zhì)量分數(shù)為60%時，CH3OH的產(chǎn)率、CO2的轉(zhuǎn)化率都達最大值，催化效果最佳。答案為：60；

(4)因為在Pb電極區(qū)得到ZnC2O4，則表明Pb電極上CO2得電子，Zn電極失電子作陽極；在陰極，CO2得電子生成C2O42-，與從陽極區(qū)通過陽離子交換膜遷移的Zn2+在陰極區(qū)發(fā)生反應(yīng)生成ZnC2O4，電極反應(yīng)式為2CO2+2e-==C2O42-。答案為：陽；2CO2+2e-==C2O42-。