Question

CO₂和CH₄是兩種重要的溫室氣體，通過CH₄和CO₂反應制造更高價值化學品是目前的研究目標。

⑴250℃時，以鎳合金為催化劑，向4 L容器中通入6 mol CO₂、6 mol CH₄，發生如下反應：CO₂ (g)＋CH₄(g) 2CO(g)＋2H₂(g)。平衡體系中各組分體積分數如下表：

物質	CH4	CO2	CO	H2
體積分數	0.1	0.1	0.4	0.4

①此溫度下該反應的平衡常數K=     。

②已知：CH₄(g)＋2O₂(g)＝CO₂(g)＋2H₂O(g) △H=-890.3 kJ·mol^－1

CO(g)＋H₂O (g)＝CO₂(g)＋H₂ (g) △H=2.8 kJ·mol^－1

2CO(g)＋O₂(g)＝2CO₂(g) △H=-566.0 kJ·mol^－1

反應CO₂(g)＋CH₄(g)2CO(g)＋2H₂(g) 的△H=     。

⑵以二氧化鈦表面覆蓋Cu₂Al₂O₄為催化劑，可以將CO₂和CH₄直接轉化成乙酸。

①在不同溫度下催化劑的催化效率與乙酸的生成速率如右圖所示。250～300℃時，溫度升高而乙酸的生成速率降低的原因是   。

②為了提高該反應中CH₄的轉化率，可以采取的措施是   。

③將Cu₂Al₂O₄溶解在稀硝酸中的離子方程式為     。

⑶以CO₂為原料可以合成多種物質。

①聚碳酸酯是一種易降解的新型合成材料，它是由縮聚而成。寫出聚碳酸酯的結構簡式：   。

②以氫氧化鉀水溶液作電解質進行電解，CO₂在銅電極上可轉化為甲烷，該電極反應方程式為     。

 

Answer 1

【答案】

⑴①64    ②+247.3 kJ·mol^－1  

⑵①溫度超過250℃時，催化劑的催化效率降低

②增大反應壓強或增大CO₂的濃度

③3Cu₂Al₂O₄+32H⁺+2NO₃^－=6Cu²⁺+ 6Al³⁺+2NO↑+16 H₂O

⑶①    ②CO₂+8e^－+6H₂O=CH₄+8OH^－

（每空2分，共14分）

【解析】

試題分析：（1）①   CO₂ (g)＋CH₄(g) 2CO(g)＋2H₂(g)

起始濃度（mol/L）     1.5      1.5             0      0

轉化濃度（mol/L）     x        x              2x     2x

平衡濃度（mol/L）   1.5－x   1.5－x           2x     2x

則

解得x＝1

所以該反應的平衡常數K＝＝64。

②根據蓋斯定律可知，①＋②×2－③×2，即得到反應CO₂(g)＋CH₄(g)2CO(g)＋2H₂(g)，所以該反應的△H=－890.3 kJ/mol＋2.8 kJ/mol×＋566 kJ/mol×2＝＋247.3 kJ/mol。

（2）①由于催化劑的催化效率受溫度影響大，因此當溫度超過250℃時，催化劑的催化效率降低，從而導致乙酸的生成速率降低。

②由于該反應是體積減小的可逆反應，所以為了提高該反應中CH₄的轉化率，可以采取的措施是增大反應壓強或增大CO₂的濃度。

③硝酸堿液強氧化性，所以將Cu₂Al₂O₄溶解在稀硝酸中的離子方程式為3Cu₂Al₂O₄＋32H⁺＋2NO₃^－＝6Cu²⁺+ 6Al³⁺＋2NO↑＋16 H₂O。

（3）①聚碳酸酯是一種易降解的新型合成材料，它是由縮聚而成，其單體是碳酸，所以聚碳酸酯的結構簡式是。

②CO₂在銅電極上可轉化為甲烷，說明銅電極是陰極，發生還原反應。由于氫氧化鉀是電解質容易，因此電極反應式是CO₂+8e^－+6H₂O=CH₄+8OH^－。

考點：考查化學平衡常數、反應熱的計算、外界條件對反應速率的影響以及縮聚反應和電極反應式的書寫等

點評：該題是高考中的常見考點和題型，屬于中等難度試題的考查，試題綜合性強，側重對學生能力的培養和解題方法的指導與訓練，旨在考查學生靈活運用基礎知識解決實際問題的能力，有利于培養學生的邏輯推理能力和發散思維能力，提升學生的學科素養。