Question

【題目】CO2的回收與利用是科學家研究的熱點課題�？衫�用CH4與CO2制備合成氣(CO、H2)，還可制備甲醇、二甲醚、低碳烯經(jīng)等燃料產(chǎn)品。

I.科學家提出制備“合成氣”反應(yīng)歷程分兩步：

反應(yīng)①：CH4(g)C(ads) +2H2(g) (慢反應(yīng))

反應(yīng)②：C(ads) + CO2(g)2CO(g) (快反應(yīng))

上述反應(yīng)中C(ads)為吸附性活性炭，反應(yīng)歷程的能量變化如圖：

(1)CH4與CO2制備合成氣的熱化學方程式為____________：該反應(yīng)在高溫下可自發(fā)正向進行的原因是_________，能量變化圖中：E5+E1___E4+E2(填“>”、“<”或“=”)。

II.利用“合成氣”合成申醇后，脫水制得二甲醚。

反應(yīng)為：2CH3OH(g)CH3OCH3 (g) + H2O(g) △H

經(jīng)查閱資料，在一定范圍內(nèi)，上述反應(yīng)化學平衡常數(shù)與熱力學溫度存在如下關(guān)系：lnKc=-2.205+。其速率方程為：v正=k正c2(CH3OH)，v逆=k逆c(CH3OCH3)c(H2O)，k正、K逆為速率常數(shù)，且影響外因只有溫度。

(2)反應(yīng)達到平衡后，僅升高溫度，k正增大的倍數(shù)________ k逆增大的倍數(shù)(填“>”、“<”或“= ”)。

(3)某溫度下，Kc=200，在密閉容器中加入一定量CH3OH。反應(yīng)到某時刻測得各組分的物質(zhì)的量如下：

物質(zhì)	CH3OH	CH3OCH3	H2O
物質(zhì)的量/mol	0.4	0.4	0.4

此時正、逆反應(yīng)速率的大�。�v正 ____v逆(填“>”、“<”或“=”)。

(4)500K下，在密閉容器中加入一定量甲醇CH3OH，反應(yīng)到達平衡狀態(tài)時，體系中CH3OCH3(g)的物質(zhì)的量分數(shù)為_____(埴標號)

A. B. C. D.無法確定

Ⅲ.合成低碳烯經(jīng)

(5)強堿性電催化還原CO2制備乙烯研究取得突破進展，原理如圖所示。b極接的是太陽能電池的_______極(已知PTFE浸泡了飽和KCl溶液)。請寫出陰極的電極反應(yīng)式______。

Answer 1

【答案】CH4 (g) + CO2 (g)2CO (g) + 2H2 (g) ΔH= +(E3 - E1) kJ·mol-1 該反應(yīng)正向吸熱，氣體計量數(shù)增大(熵增)，高溫有利于正向自發(fā)進行 ＜ ＜ ＞ C 正 2CO2 + 12e- + 8H2O = C2H4 + 12OH-

【解析】

Ⅰ．(1)焓變△H＝生成物的總內(nèi)能反應(yīng)物的總內(nèi)能，結(jié)合物質(zhì)的凝聚狀態(tài)寫出熱化學方程式；根據(jù)化學反應(yīng)自發(fā)進行的條件判斷；反應(yīng)越慢，反應(yīng)的活化能越高，據(jù)此解答；

II．由lnKc=-2.205+可知，溫度T越大，則Kc越小，即升高溫度，Kc減小，所以2CH3OH(g)CH3OCH3(g)＋H2O(g)的△H＜0；

(2)升高溫度，平衡逆向進行，即v正＜v逆，結(jié)合速率常數(shù)k的變化分析；

(3)根據(jù)濃度熵Qc與平衡常數(shù)K的關(guān)系若Qc＞K，則反應(yīng)逆向進行；

(4)根據(jù)lnKc=-2.205+和T＝500K計算平衡常數(shù)Kc，結(jié)合反應(yīng)三段式計算平衡時CH3OCH3(g)的物質(zhì)的量和物質(zhì)的量分數(shù)；

Ⅲ．(5)由電解裝置圖可知，a電極上CO2發(fā)生得電子的還原反應(yīng)生成C2H4，所以a電極為陰極、b為陽極，陰極上CO2得電子生成C2H4，結(jié)合電子守恒和電荷守恒寫出電極反應(yīng)式。

Ⅰ．(1)CH4與CO2制備“合成氣”的化學方程式為CH4(g)＋CO2(g)2H2(g)＋2CO(g)，由圖可知故反應(yīng)的焓變△H＝生成物的總內(nèi)能反應(yīng)物的總內(nèi)能＝(E3E1)kJ/mol，反應(yīng)的熱化學方程式為CH4(g)＋CO2(g) 2CO(g)+2H2 (g) △H＝＋(E3E1)kJ/mol；該反應(yīng)正向吸熱，氣體計量數(shù)增大(熵增)，高溫有利于正向自發(fā)進行；兩步歷程中反應(yīng)①是慢反應(yīng)，所以反應(yīng)①的活化能大于反應(yīng)②的活化能，即E4E1＞E5E2，所以E5＋E1＜E4＋E2；

II．由lnKc=-2.205+可知，溫度T越大，則Kc越小，即升高溫度，Kc減小，所以2CH3OH(g)CH3OCH3(g)＋H2O(g)的△H＜0；

(2)升高溫度，正逆反應(yīng)速率均增大，但平衡逆向進行，v正＜v逆，所以k正增大的倍數(shù)小于k逆增大的倍數(shù)；

(3)2CH3OH(g)CH3OCH3(g)＋H2O(g)是氣體體積不變化的反應(yīng)，可用物質(zhì)的量代替濃度代入表達式中計算，濃度熵Qc＝＝＝1＜200＝Kc，所以反應(yīng)正向進行，v正＞v逆；

(4)T＝500K時，lnKc=-2.205+＝2.205＋＝3.2122274，Kc＝e3.2122274，所以22＜e3.2122274＜34，即4＜Kc＜81，設(shè)CH3OH的起始量為2mol，CH3OCH3生成的物質(zhì)的量為xmol，則反應(yīng)的三段式為：

平衡常數(shù)Kc＝＝＝×，＝4Kc，16＜＝4Kc＜324，解得＜x＜，體系中CH3OCH3(g)的物質(zhì)的量分數(shù)為×100%，在40%～47.4%之間；

(5)①由電解裝置圖可知，a電極上CO2發(fā)生得電子的還原反應(yīng)生成C2H4，所以a電極為陰極、b為陽極，陽極與電源正極相接、陰極與電源負極相接；

②陰極上CO2得電子生成C2H4，電極反應(yīng)式為2CO2 + 12e- + 8H2O = C2H4 + 12OH-。