Question

【題目】CO2是一種溫室氣體，對人類的生存環境產生巨大的影響，維持大氣中CO2的平衡對生態環境保護有著重要意義。

I．可利用CH4與CO2制備合成氣(CO、H2)，在某一鋼性密閉容器中CH4、CO2的分壓分別為15kPa、20kPa，加入Ni/α-A12O3催化劑并加熱至1123K使其發生反應：CH4(g)+CO2(g)=2CO(g)+2H2(g)

（1）研究表明CO的生成速率，某時刻測得p(H2)=10kPa，則該時刻v(CH4)=___________k·Pas-1。

（2）達到平衡后，測得CO的產率為50％，則該反應的平衡常數Kp=_________。

（3）科學家提出制備“合成氣反應歷程分兩步：

反應①：CH4(g)=C(ads)+2H2(g)(慢反應)

反應②：C(ads)+CO2(g)=2CO(g)(快反應)

上述反應中C(ads)為吸附性活性炭，反應歷程的能量變化如圖所示：

CH4與CO2制備合成氣的熱化學方程式為__________________。能量變化圖中：E5+E1_________E4+E2（填“＞”、“＜”或“＝”）。

II．CO2催化加氫制甲醇5MPa時，往某密閉容器中按投料比n(H2):n(CO2)=3:1充入H2和CO2，發生以下反應：

i. ，

ii..

iii.

反應達到平衡時，測得各組分的物質的量分數隨溫度變化的曲線如右圖所示。

（4）①體系中CO2的物質的量分數受溫度的影響不大，原因是_______________________。

②下列措施中，無法提高甲醇平衡產率的是________(填標號)。

A.加入適量CO B.增大壓強C.循環利用原料氣D.升高溫度

③如上圖X、Y分別代表_________、________(填化學式)。

III．利用銅基配合物1,10-phenanthroline-Cu催化劑電催化CO2還原制備碳基燃料(包括CO、烷烴和酸等)是減少CO2在大氣中累積和實現可再生能源有效利用的關鍵手段之，其裝置原理如圖所示。

（5）①電池工作過程中，圖中Pt電極附近溶液的pH_______(填“變大”或“變小”)，陰極的電極反應式為________________。

②每轉移2mol電子，陰極室溶液質量增加______g。

Answer 1

【答案】0.96 540(kPa)2 CH4(g) + CO2(g)2CO(g) + 2H2(g) △H=+(E3-E1) kJ·mol-1 ＜ 溫度改變時，反應i和反應ii平衡移動方向相反 D CO CH3OH 變小 CO2+2H++2e-＝HCOOH 46

【解析】

I．(1)在某一鋼性密閉容器中CH4、CO2的分壓分別為15kPa、20kPa，某時刻測得p(H2)=10kPa，則：

該時刻v(CO)=1.28×10-2p(CH4)p(CO2)=1.28×10-2×10×15=1.92，則v(CH4)=v(CO)=1.92×=0.96；

(2)達到平衡后，測得CO的產率為50％，則CO的平衡分壓為15kPa；列三段式：

平衡常數Kp===540；

(3)CH4與CO2制備“合成氣”的化學方程式為CH4(g)+CO2(g)2H2(g)+2CO(g)，由圖可知反應的焓變△H=生成物的總內能-反應物的總內能=(E3-E1)kJ/mol，反應的熱化學方程式為CH4(g)+CO2(g)2H2(g)+2CO(g)△H=+(E3-E1)kJ/mol；兩步歷程中反應①是慢反應，所以反應①的活化能大于反應②的活化能，即E4-E1＞E5-E2，所以E5+E1＜E4+E2；

II．(4)△H1＜0，△H3＜0，即生成甲醇的反應均為放熱反應，所以溫度升高平衡時甲醇的物質的量分數應減小，△H2＞0，生成CO的反應為吸熱反應，所以隨溫度升高CO平衡時的物質的量分數會變大，二者共同作用導致水蒸氣減小幅度小于甲醇，所以Z代表H2O，Y代表CH3OH，X代表CO；

①依據主要反應的化學方程式可知，反應i消耗CO2，反應ii逆向產生CO2，最終體系內CO2的物質的量分數與上述兩個反應進行的程度相關。由于△H1＜0而△H2＞0，根據勒夏特列原理，溫度改變時，反應i和反應ii平衡移動方向相反，且平衡移動程度相近，導致體系內CO2的物質的量分數受溫度的影響不大；

②A．加入適量CO，促使反應iii平衡正向移動，產生更多的CH3OH，而反應ii平衡逆向移動，又可減少CO2轉化為CO，使更多的CO2通過反應i轉化為CH3OH，故CH3OH產率提高，故A正確；

B．增大壓強，有利于反應i和iii的平衡正向移動，而對反應ii無影響，故B正確；

C．循環利用原料氣能提高CO2的轉化率，使CH3OH的產率提高，故C正確；

D．由圖可知，升溫，CH3OH的物質的量分數下降，產率降低，故D錯誤；

故答案為D；

③根據分析可知X代表CO，Y代表CH3OH；

III．石墨烯的表面CO2發生還原反應，說明石墨烯為陰極，則b為電源的負極；

(5)①電池工作過程中，Pt電極為陽極，發生的電極反應式為2H2O-4e-=O2↑+4H+，則附近溶液的pH變小，陰極上發生還原反應的電極反應式為CO2+2H++2e-=HCOOH；

②每轉移2mol電子，由陰極電極反應式CO2+2H++2e- =HCOOH可知，生成1molHCOOH，質量為46g/mol×1mol=46g，即陰極室溶液質量增加46g。