Question

【題目】為了解決能源的可再生及將CO2變廢為寶等問題，科學家借鑒自然界的光合作用原理，通過“人工” 光合作用合成了甲醇等液態燃料，因此甲醇又被稱為液態太陽燃料。液態太陽燃料的合成及應用如下圖所示。 請回答：

(1) 聯系自然界的光合作用原理，并結合上述圖示， 寫出“人工”光合作用的化學方程式；______；在圖示轉化過程中，太陽能除了儲存在甲醇中，還儲存在_____中(填化學式)。

(2)圖中熱催化過程的反應原理為CO2(g) + 3H2(g) = CH3OH(g) + H2O(g)△H。

已知：2H2(g)+O2(g)=2H2O (g)△H1= -483.6 kJmo1-1；

2CH3OH(g)+3O2(g)=2CO2(g)+4H2O(g)△H2=-1352.86 kJmol-1

△H =_____________。

(3)實驗室對熱催化反應進行模擬探究：一定溫度下，向容積均為2 L 的恒容密閉容器中分別通入1.0 mol CO2(g)和3.0 mol H2(g)， 在不同催化劑X、Y 的催化下發生反應。測得5 min時，CO2轉化率與溫度的變化關系如圖所示。

①該反應適宜選用的催化劑為__________(填“X'”或 “Y”)。

②T1K時，a點對應容器在0～5 min內的平均反應速率v(H2)=______；b、c點對應狀態下反應物的有效碰撞幾率b______c(填“＞”“＜”或“=”)，原因為___________。

③T2K時，若反應前容器內的壓強為p， 則該溫度下反應的平衡常數KP=_________。 (KP為用分壓表示的平衡常數)。

(4)我國化學家結合實驗和計算機模擬結果，研究得出熱催化反應的一種可能歷程如圖所示，其中自由基用“”標出，過渡態用TS表示。

四個過渡態中對反應速率影響最大的是____，理由為____；該步驟的化學方程式為____。

Answer 1

【答案】2CO2+4H2O2CH3OH+3O2或2H2O2H2+O2、CO2+3H2CH3OH+H2O H2 -48.97 kJ· mo1-1 X 0.12 mol-1min-1 ＞ b點比c點對應狀態下反應物濃度大，體系溫度高 TS1 該步反應的活化能（或能壘或需要吸收的能量）最大 CO2+6H=HOCO+5H或CO2+H=HOCO

【解析】

根據液態太陽燃料的合成示意圖分析反應過程；根據蓋斯定律計算熱催化過程的ΔH，結合轉化率圖像選擇合適的催化劑，并根據公式計算反應速率，根據三段式計算壓強平衡常數，根據圖像分析寫出化學方程式。

(1)由液態太陽燃料的合成示意圖分析可知，排放在空氣中的CO2與H2O電解產生的H2在太陽能的條件下發生反應生成CH3OH，反應的化學方程式為2CO2+4H2O2CH3OH+3O2或2H2O2H2+O2、CO2+3H2CH3OH+H2O，則太陽能出來儲存在甲醇中，還儲存在H2中，故答案為：2CO2+4H2O2CH3OH+3O2或2H2O2H2+O2、CO2+3H2CH3OH+H2O；H2；

(2)根據題干信息，(3×反應1-反應2)可得反應CO2(g)+3H2(g)=CH3OH(g)+H2O(g)，根據蓋斯定律可得，故答案為：-48.97；

(3)①根據圖像可知，相同溫度時選用催化劑X時，CO2的轉化率較高，故答案為：X；

②由圖像，T1K時，a點對應容器在0～5 min內CO2的轉化率為40%，則Δn(CO2)=1.0mol×40%=0.4mol，根據方程式CO2(g)+3H2(g)=CH3H(g)+H2O(g)可知，Δn(H2)=3Δn(CO2)=1.2mol，則平均反應速率，由于b點比c點對應狀態下反應物濃度大，體系溫度高，所以b點對應狀態下反應物的有效碰撞幾率b＞c，故答案為：0.12 mol-1min-1；＞；b點比c點對應狀態下反應物濃度大，體系溫度高；

③由圖像可知，T2K時CO2的轉化率為60%，即Δn(CO2)=1.0mol×60%=0.6mol，則可列三段式：

由阿伏加德羅定律PV=nRT可知，恒溫恒容時，壓強與物質的量成正比，因此反應后的總壓強為0.7p，則該溫度下反應的平衡常數，故答案為：；

(4)由熱催化反應的歷程圖分析可知，TS1步反應的活化能（或能壘或需要吸收的能量）最大，對反應速率的影響最大，反應方程式為CO2+6H=HOCO+5H或CO2+H=HOCO，故答案為：TS1；該步反應的活化能（或能壘或需要吸收的能量）最大；CO2+6H=HOCO+5H或CO2+H=HOCO。