Question

【題目】CO2是主要的溫室氣體，也是一種工業(yè)原料。回收利用CO2有利于緩解溫室效應(yīng)帶來的環(huán)境問題。

(1)我國科學(xué)家通過采用一種新型復(fù)合催化劑，成功實現(xiàn)了CO2直接加氫制取高辛烷值汽油。

已知：2H2 (g)+O2 (g) =2H2O(l) ΔH = -571.6 kJ/mol

2C8H18(l)+25O2(g) =16CO2(g)+18H2O(l) ΔH = -11036 kJ/mol

25℃、101kPa條件下，CO2與H2反應(yīng)生成辛烷(以C8H18表示)和液態(tài)水的熱化學(xué)方程式是_________。

(2)CO2催化加氫合成乙醇的反應(yīng)原理是：2CO2(g)+6H2(g)C2H5OH(g)+3H2O(g) △H =-173.6 kJ/mol圖是起始投料不同時，CO2的平衡轉(zhuǎn)化率隨溫度的變化關(guān)系，m為起始時的投料比，即m=。m1、m2、m3投料比從大到小的順序為_________，理由是_________。

(3)在Cu/ZnO催化劑存在下，將CO2與H2混合可合成甲醇，同時發(fā)生以下兩個平行反應(yīng)：

反應(yīng)Ⅰ CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g) ΔH1=-53.7 kJ/mol　

反應(yīng)Ⅱ CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g)　 　ΔH2=+41.2 kJ/mol

控制一定的CO2和H2初始投料比，在相同壓強(qiáng)下,經(jīng)過相同反應(yīng)時間測得如下實驗數(shù)據(jù)(其中“甲醇選擇性”是指轉(zhuǎn)化的CO2中生成甲醇的百分比)：

實驗序號	T/K	催化劑	CO2轉(zhuǎn)化率/%	甲醇選擇性/%
實驗1	543	Cu/ZnO納米棒	12.3	42.3
實驗2	543	Cu/ZnO納米片	10.9	72.7
實驗3	553	Cu/ZnO納米棒	15.3	39.1
實驗4	553	Cu/ZnO納米片	12.0	71.6

①對比實驗1和實驗3可發(fā)現(xiàn)：同樣催化劑條件下，溫度升高，CO2轉(zhuǎn)化率升高， 而甲醇的選擇性卻降低，請解釋甲醇選擇性降低的可能原因_______________；

②對比實驗1和實驗 2可發(fā)現(xiàn)：在同樣溫度下，采用Cu/ZnO納米片使CO2轉(zhuǎn)化率降低， 而甲醇的選擇性卻提高，請解釋甲醇的選擇性提高的可能原因____________。

③有利于提高CO2轉(zhuǎn)化為CH3OH平衡轉(zhuǎn)化率的措施有_______。

a．使用Cu/ZnO納米棒做催化劑

b．使用Cu/ZnO納米片做催化劑

c．降低反應(yīng)溫度

d．投料比不變，增加反應(yīng)物的濃度

e．增大的初始投料比

(4)以納米二氧化鈦膜為工作電極，稀硫酸為電解質(zhì)溶液，在一定條件下通入CO2，電解，在陰極可制得低密度聚乙烯(簡稱LDPE)。

①電解時，陰極的電極反應(yīng)式是_____________。

②工業(yè)上生產(chǎn)1.4×104 kg 的LDPE，理論上需要標(biāo)準(zhǔn)狀況下______L 的CO2。

Answer 1

【答案】8CO2(g)+25H2(g) =C8H18(l)+16H2O(l) ΔH= -1627kJ/mol m1 >m2>m3 溫度相同時，c(H2)增大， CO2平衡轉(zhuǎn)化率增大，平衡向正反應(yīng)方向移動。 反應(yīng)Ⅰ是放熱反應(yīng)，升高溫度，平衡向逆反應(yīng)方向進(jìn)行，因此甲醇的產(chǎn)率減小，甲醇的選擇性降低。 Cu/ZnO納米片對反應(yīng)I的催化作用更好，測定時間內(nèi)得到的甲醇較多，甲醇選擇性提高。 cd 2nCO2 +12nH+ +12ne-=+4n H2O 2.24×107

【解析】

(1)利用蓋斯定律，將兩個熱化學(xué)方程式中O2消去，整理，就可得到相應(yīng)的熱化學(xué)方程式；

(2) 一定溫度下二氧化碳轉(zhuǎn)化率隨m(為起始時的投料比)增大而增大，使一種反應(yīng)物濃度增大一種會提高另一種物質(zhì)的平衡轉(zhuǎn)化率；

(3)①反應(yīng)Ⅰ是放熱反應(yīng)，根據(jù)溫度對化學(xué)平衡的影響分析；

②使用Cu/ZnO納米片催化劑使反應(yīng)I速率增加，該時間內(nèi)得到的甲醇較多，甲醇選擇性提高；

③有利于提高CO2轉(zhuǎn)化為CH3OH平衡轉(zhuǎn)化率，需要使平衡向正反應(yīng)方向移動，結(jié)合平衡移動原理分析。

(4)電解過程中陰極上CO2發(fā)生還原反應(yīng)生成：結(jié)合碳的化合價的變化，分析得到的電子數(shù)目，根據(jù)電荷守恒可得該電極反應(yīng)式，并結(jié)合電極反應(yīng)式及物質(zhì)的量公式計算。

(1) ①2H2 (g)+O2 (g) =2H2O(l) ΔH = -571.6 kJ/mol ；②2C8H18(l)+25O2(g) =16CO2(g)+18H2O(l) ΔH = -11036 kJ/mol，(①×25-②)÷2，整理可得：8CO2(g)+25H2(g) =C8H18(l)+16H2O(l) ΔH= -1627kJ/mol；

(2) CO2催化加氫合成乙醇的反應(yīng)原理是：2CO2(g)+6H2(g)C2H5OH(g)+3H2O(g) △H =-173.6 kJ/mol，根據(jù)方程式可知：CO2、H2都是反應(yīng)物，根據(jù)平衡移動原理可知，在溫度不變時，c(H2)增大，平衡正向移動，CO2轉(zhuǎn)化率增大，即一定溫度下二氧化碳轉(zhuǎn)化率隨m(為起始時的投料比)增大而增大，根據(jù)圖示可知轉(zhuǎn)化率：m1＞m2＞m3，所以m1、m2、m3投料比從大到小的順序為：m1＞m2＞m3；

(3) ①同樣催化劑條件下，溫度升高，CO2轉(zhuǎn)化率升高，而甲醇的選擇性卻降低的原因是反應(yīng)Ⅰ為生成甲醇的反應(yīng)，該反應(yīng)是放熱反應(yīng)，升高溫度，平衡逆向進(jìn)行，因此甲醇的產(chǎn)率減小，甲醇的選擇性降低；

②在同樣溫度下，采用Cu/ZnO納米片使CO2轉(zhuǎn)化率降低，而甲醇的選擇性卻提高的可能原因是在該時間內(nèi)，使用Cu/ZnO納米片催化劑使反應(yīng)I速率增加，因此測得該時間內(nèi)得到的甲醇較多，甲醇選擇性提高；

③a．使用Cu/ZnO納米棒做催化劑，對化學(xué)平衡無影響，無法提高CO2轉(zhuǎn)化為CH3OH平衡轉(zhuǎn)化率，a錯誤；

b．使用Cu/ZnO納米片做催化劑，催化劑不影響化學(xué)平衡移動，無法提高CO2轉(zhuǎn)化為CH3OH平衡轉(zhuǎn)化率，b錯誤；

c．該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，降低反應(yīng)溫度，平衡向正反應(yīng)方向移動，可提高CO2轉(zhuǎn)化為CH3OH平衡轉(zhuǎn)化率，c正確；

d．投料比不變，增加反應(yīng)物氫氣的濃度，可提高CO2轉(zhuǎn)化為CH3OH平衡轉(zhuǎn)化率，d正確；

e．增大CO2和H2的初始投料比，二氧化碳濃度增大，則CO2轉(zhuǎn)化率降低，e錯誤；

故合理選項為cd。

(4)電解過程中陰極上CO2發(fā)生還原反應(yīng)生成：由C原子守恒可知關(guān)系式為2nCO2→，碳的化合價從+4變?yōu)?/span>-2，每個C原子得到6個電子，則2nCO2總共得到12n個電子，結(jié)合電荷守恒可得該電極反應(yīng)式為：2nCO2+12e-+12nH+=+4nH2O，需要二氧化碳的物質(zhì)的量為n(CO2)==1×106mol，則在標(biāo)準(zhǔn)狀況下CO2的體積為V(CO2)=1×106mol×22.4L/mol=2.24×107L。