Question

【題目】如何降低大氣中CO2的含量及有效地開發(fā)利用CO2是當(dāng)前科學(xué)家研究的重要課題。

(1)利用H2和CO2生產(chǎn)甲醇燃料。為探究該反應(yīng)原理，進行如下實驗：某溫度下，在容積為2 L的密閉容器中充入1 mol CO2和3.25 molH2，在一定條件下反應(yīng)，測得CO2、CH3OH(g)和H2O(g)的物質(zhì)的量(n)隨時間的變化關(guān)系如圖所示。

①從反應(yīng)開始到3min時，氫氣的平均反應(yīng)速率v(H2)=_________。

②下列措施中一定能使CO2的轉(zhuǎn)化率增大的是____________。

A.在原容器中再充入1 molCO2 B.在原容器中再充入1molH2

C.在原容器中充入1 molHe D.使用更有效的催化劑

E.縮小容器的容積 F.將水蒸氣從體系中分離出

(2)利用氫氣在一定條件下與二氧化碳反應(yīng)生成乙醇燃料，其熱化學(xué)反應(yīng)方程式為2CO2(g)＋6H2(g)CH3CH2OH(g)＋3H2O(g)　ΔH=akJ/mol，在一定條件下，測得該反應(yīng)達到平衡狀態(tài)時的實驗數(shù)據(jù)如表所示。請根據(jù)表中數(shù)據(jù)回答下列問題。

溫度(K) CO 2轉(zhuǎn)化率/ (%)	500	600	700	800
1.5	45	33	20	12
2	60	43	28	15
3	80	61	35	21

①上述反應(yīng)的a________0（填“大于”或“小于”）。該反應(yīng)自發(fā)的條件是__________（填“高溫”，“低溫”，或“任意溫度”）。

②恒溫下，向反應(yīng)體系中加入固體催化劑，則反應(yīng)產(chǎn)生的熱量________(填“增大”、“減小”或“不變”)。

③在2L密閉容器中充入1molCO2，在 =3，500K的溫度下達到化學(xué)平衡時，則反應(yīng)的平衡常數(shù)是_______________。

(3)鋰空氣電池是前景很廣的新穎電池，但鋰和空氣中的氮氣、二氧化碳、水蒸氣等發(fā)生副反應(yīng)是鋰-空氣電池的致命缺陷。所以應(yīng)在鋰金屬電極上加一個保護層。該技術(shù)的核心是鋰表面增加了一層由碳酸鋰/碳（Li2CO3/C）組成的致密的保護性涂層。涂層的過程：利用熔融碳酸鹽作電解質(zhì)，直接由鋰金屬電極與二氧化碳通過 10 次充放電循環(huán)，在電極的表面進行化學(xué)反應(yīng)來完成。寫出鋰電極生成致密保護涂層的電極反應(yīng)式___________________。利用一種鉀鹽水溶液作電解質(zhì)，CO2電催化還原為乙烯，如圖所示。在陰極上產(chǎn)生乙烯的電極反應(yīng)式為_________________。

Answer 1

【答案】0.25mol/(L·min) BEF 小于 低溫 不變 2Li-2e-+CO32-=Li2CO3 2CO2+12H++12e-=CH2=CH2+4H2O

【解析】

(1)①根據(jù)題目內(nèi)容可知，該工業(yè)方法制取甲醇為二氧化碳與氫氣反應(yīng)生成甲醇和水；根據(jù)三段式計算出反應(yīng)混合物各組分的濃度變化量、平衡時的濃度，根據(jù)v=，計算出v(H2)；

②CO2的轉(zhuǎn)化率增大，平衡正向移動，根據(jù)影響平衡移動的外界因素可以作判斷；

(2)①依據(jù)圖表數(shù)據(jù)分析二氧化碳轉(zhuǎn)化率隨溫度升高減小，結(jié)合平衡移動原理得到反應(yīng)能量變化；

②催化劑對化學(xué)平衡沒有影響，所以加入催化劑，平衡不移動，反應(yīng)反應(yīng)熱不變；

③根據(jù)物質(zhì)的濃度、反應(yīng)溫度及CO2的轉(zhuǎn)化率，結(jié)合平衡常數(shù)的含義計算該溫度下的化學(xué)平衡常數(shù)；

(5)鋰電極生成致密保護涂層實質(zhì)上是鋰失去電子，與熔融鹽中的CO32-結(jié)合形成Li2CO3；CO2在鉀鹽的水溶液中獲得電子，被還原變?yōu)橐蚁��?/span>

(1)①該工業(yè)方法制取甲醇原理為二氧化碳與氫氣反應(yīng)生成甲醇和水，反應(yīng)方程式為CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)，根據(jù)反應(yīng)方程式可知，在3min時，CH3OH(g)的物質(zhì)的量變化了0.5mol，△c(CH3OH)==0.25mol/L，V(CH3OH)==mol/(Lmin)，根據(jù)方程式可知V(H2)=3V(CH3OH)=3×mol/(Lmin)= 0.25mol/(L·min)；

②CO2的轉(zhuǎn)化率增大，平衡正向移動，根據(jù)影響平衡移動的外界因素可以作判斷；

A.在原容器中再充入1mol CO2，CO2的總物質(zhì)的量在增加，雖然平衡在正向移動，根據(jù)勒夏特列原理可知，CO2的轉(zhuǎn)化率減小，A錯誤；

B.在原容器中再充入1mol H2，平衡正向移動，CO2的轉(zhuǎn)化率增大，B正確；

C.在原容器中充入1mol He，體積沒有變化，各成分濃度不變，平衡不移動，C錯誤；

D.使用更有效的催化劑，對化學(xué)平衡的移動沒有影響，D錯誤；

E.縮小容器的容積，相當(dāng)于加壓，由于該反應(yīng)是氣體體積減小的反應(yīng)，所以平衡正向移動，CO2的轉(zhuǎn)化率增大，E正確；

F.將水蒸氣從體系中分離出，減小生成物濃度，平衡正向移動，CO2的轉(zhuǎn)化率增大，F正確；

故合理選項是BEF；

(2)①由圖表分析判斷，隨溫度升高，二氧化碳轉(zhuǎn)化率減小，說明升高溫度，化學(xué)平衡逆向進行，逆反應(yīng)方向是吸熱反應(yīng)，則正反應(yīng)是放熱反應(yīng)，所以a小于0，要提高CO2的轉(zhuǎn)化率，就要使平衡正向移動，由于該反應(yīng)的正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，實驗根據(jù)平衡移動原理，可知反應(yīng)溫度要在低溫下進行；

②催化劑對化學(xué)平衡沒有影響，所以加入催化劑，化學(xué)平衡不移動，化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)熱不變；

③在2L密閉容器中充入1molCO2，在 =3，根據(jù)表格可知在500K時，CO2的轉(zhuǎn)化率是80%，

發(fā)生反應(yīng)： 2CO2(g)+6H2(g)CH3CH2OH(g)+3H2O(g)

c(開始)mol/L 0.5 1.5 0 0

c(改變)mol/L 0.4 1.2 0.2 0.6

c(平衡)mol/L 0.1 0.3 0.2 0.6

則在該溫度下達到化學(xué)平衡時，則反應(yīng)的平衡常數(shù)是K==；

(5)鋰電極生成致密保護涂層實質(zhì)上是鋰失去電子，與熔融鹽中的CO32-結(jié)合形成Li2CO3，因此鋰電極的電極反應(yīng)式為：2Li-2e-+CO32-=Li2CO3；利用一種鉀鹽水溶液作電解質(zhì)，CO2電催化下，與溶液中的H+及水反應(yīng)，被還原為乙烯，則在陰極上產(chǎn)生乙烯的電極反應(yīng)式為2CO2+12H++12e-=CH2=CH2+4H2O。