Question

【題目】CO2是一種常用的化工原料，經常可以用來轉化成高附加值的CO、CH4、CH3OH、CO(NH2)2等一碳（C1）產物。

Ⅰ.以CO2與NH3為原料可以合成尿素[CO(NH2)2]。合成尿素的反應為2NH3(g)+CO2(g)CO(NH2)2(s)+H2O(g)。在不同溫度及不同y值下合成尿素，達到平衡時，氨氣轉化率的變化情況如圖所示。該反應的ΔH___(填“＞”、“＜”或“＝”，下同)0，若y表示壓強，則y1___y2，若y表示反應開始時的氨碳比[]，則y1__y2。

Ⅱ.CO2加氫過程，主要發生的三個競爭反應為：

反應i：CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g) H=-49.01kJmol-1

反應ii：CO2(g)+4H2(g)CH4(g)+2H2O(g) H=-165.0kJmol-1

反應iii：CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g) H=+41.17kJmol-1

回答下列問題：（1）由CO、H2合成甲醇的熱化學方程式為__。

（2）如圖是某甲醇燃料電池工作的示意圖。

質子交換膜(只有質子能夠通過)左右兩側的溶液均為1L2mol·L-1H2SO4溶液。電極a上發生的電極反應為___，當電池中有1mole發生轉移時左右兩側溶液的質量之差為___g(假設反應物耗盡，忽略氣體的溶解)。

（3）我國科學家研究了不同反應溫度對含碳產物組成的影響。在反應器中按=3∶1通入H2和CO2，分別在0.1MPa和1MPa下進行反應。試驗中溫度對平衡組成C1(CO2、CO、CH4)中的CO和CH4的影響如圖所示（該反應條件下甲醇產量極低，因此忽略“反應i”)：

則表示1MPa時CH4和CO平衡組成隨溫度變化關系的曲線分別是___、___。M點所表示物質的平衡組成高于N點的原因是___。

Answer 1

【答案】＜ ＞ ＜ CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) △H=-90.18kJmol-1 CH3OH-6e-+H2O=CO2↑+6H+ 12 a d 相同溫度下，增大壓強反應II向正方向移動，c(H2O）增大，使得反應III向逆方向移動，使得CO平衡組分降低

【解析】

結合溫度和壓強對平衡的影響分析解答，利用蓋斯定律書寫熱化學反應方程式并計算反應熱，根據原電池原理，電極a為負極，電極反應式為CH3OH-6e-+H2O=CO2+6H+，電極b為正極，電極反應式為O2+4H++4e-=2H2O，結合電極反應式進行計算。

Ⅰ.由圖象分析可知，溫度升高，氨氣轉化率減小，說明平衡逆向進行，正反應為放熱反應，則△H＜0，壓強越大平衡正向進行，氨氣轉化率增大，若y表示壓強，則一定溫度下y1大于y2，若y表示反應開始時的水碳比，升溫平衡逆向進行，氨氣轉化率減小，一定溫度下，水和二氧化碳之比越大，平衡逆向進行，氨氣轉化率越小，則y1小于y2，故答案為：＜；＞；＜；

Ⅱ.(1)反應i-反應iii即可得CO、H2合成甲醇的熱化學方程式：CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)，根據蓋斯定律計算焓變：△H=-49.01kJmol-1-41.17kJmol-1=-90.17kJmol-1，故答案為：CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) △H=-90.18kJmol-1；

(2)由上述分析可知，負極反應式為CH3OH-6e-+H2O=CO2+6H+，當轉移1mol電子時，左側質量減輕×12g=2g，還要有1mol H+通過質子交換膜進入右側，質量減少1g，正極反應式為O2+4H++4e-=2H2O，右側質量增加32g×=8g，加上轉移過來的1gH+，因此左右兩側溶液的質量之差為8g+1g+2g+1g=12g，故答案為：CH3OH-6e-+H2O=CO2+6H+；12；

(3)對于反應ii，升高溫度，平衡逆移，CH4、H2O的百分含量減少，對于平衡iii，升高溫度，則平衡正移，CO的百分含量增加；增大壓強，反應ii，平衡正移，H2O的百分含量增大，使反應Ⅲ逆移，CO百分含量降低，綜上：CH4、CO的變化幅度相對較小，則表示CH4和CO平衡組成隨溫度變化關系的曲線分別是a、d，故答案為：a；d；相同溫度下，增大壓強反應II向正方向移動，c(H2O）增大，使得反應III向逆方向動，使得CO平衡組分降低。