Question

19．最近科學(xué)家提出“綠色自由”構(gòu)想：把含有大量CO₂的空氣吹入碳酸鉀溶液中，再把CO₂從溶液中提取出來，并使之與氫氣反應(yīng)生成可再生能源甲醇．其工藝流程如圖1所示：

（1）寫出分解池中反應(yīng)的化學(xué)方程式為2KHCO₃$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$K₂CO₃+H₂O+CO₂↑；
（2）在合成塔中，若有4.4kg CO₂與足量H₂恰好完全反應(yīng)，生成氣態(tài)的水和甲醇，可放出4947kJ的熱量，試寫出該反應(yīng)的熱化學(xué)方程式CO₂（g）+3H₂（g）=CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49.47KJ/mol；
（3）已知合成塔中的反應(yīng)是可逆的，根據(jù)平衡移動原理，低溫有利于原料氣的轉(zhuǎn)化，而實際生產(chǎn)中采用300℃的溫度，其原因可能是加快反應(yīng)速率，使催化劑活性較高；
（4）“綠色自由”構(gòu)想流程中常包括物質(zhì)的“循環(huán)利用”，上述流程中能體現(xiàn)“循環(huán)利用”的物質(zhì)除碳酸鉀溶液外，還包括H₂O（化學(xué)式）．
（5）300℃時，將CO和H₂按1：3的體積比充入密閉容器中，CO₂的平衡轉(zhuǎn)化率（α）與體系總壓強（p）的關(guān)系如圖2所示．根據(jù)圖示回答下列問題：
①若其他條件不變，將A點的體積壓縮至原來的一半，一段時間后反應(yīng)再達平衡時，與原平衡比較下列說法正確的是CD．
A．CO₂的濃度減小
B．正反應(yīng)速率增大，逆反應(yīng)速率減小
C．CO₂和H₂的體積比為1：3
D．CH₃OH的體積分數(shù)增大
②將1.0molCO₂和3.0molH₂置于體積不變的密閉容器中，2min時反應(yīng)達到平衡，此時體系總壓強為0.10MPa，用H₂表示的反應(yīng)速率為1.2mol/（L•min），則密閉容器的體積是1L．
（6）甲醇可制作燃料電池．以氫氧化鉀溶液為電解質(zhì)的負極反應(yīng)式是CH₃OH+8OH^--6e^-=CO₃^2-+6H₂O．當(dāng)轉(zhuǎn)移的電子的物質(zhì)的量為1.2mol時，參加反應(yīng)的氧氣的體積是6.72L（標(biāo)準(zhǔn)狀況下）．

Answer 1

分析 （1）吸收池中盛有飽和碳酸鉀溶液，吸收空氣中的二氧化碳，轉(zhuǎn)化為KHCO₃，碳酸氫鉀不穩(wěn)定，在分解池中加熱分解生成碳酸鉀和二氧化碳、水；
（2）1mol二氧化碳反應(yīng)放出熱量為4947kJ×$\frac{1mol×44g/mol}{4400g}$=49.47kJ，注明物質(zhì)的聚集狀態(tài)與反應(yīng)熱書寫熱化學(xué)方程式；
（3）采用300℃的溫度，可以加快反應(yīng)速率，且催化劑活性較高；
（4）合成塔中發(fā)生反應(yīng)：CO₂（g）+3H₂（g）=CH₃OH（g）+H₂O（g），生成高溫水蒸氣可以在分解池中循環(huán)利用；
（5）合成塔中發(fā)生反應(yīng)：CO₂（g）+3H₂（g）=CH₃OH（g）+H₂O（g）．
①A．體積壓縮，反應(yīng)混合物各組分濃度均增大；
B．體積壓縮，壓強增大，正、逆反應(yīng)速率都增大；
C．CO和H₂按1：3的體積比投入，且二者按物質(zhì)的量1：3反應(yīng)，反應(yīng)體系中CO₂和H₂的體積比始終為1：3；
D．壓縮體積，增大壓強，平衡正向移動，CH₃OH的體積分數(shù)增大；
②由圖可知，0.1MPa條件下CO₂的平衡轉(zhuǎn)化率為0.8，可知反應(yīng)的CO₂為0.8mol，根據(jù)方程式計算參加反應(yīng)氫氣物質(zhì)的量，再根據(jù)v（氫氣）=$\frac{\frac{△n（氫氣）}{V}}{△t}$計算；
（6）原電池負極發(fā)生氧化反應(yīng)，甲醇在負極失去電子，堿性條件下生成碳酸根離子與水；計算氧氣物質(zhì)的量，根據(jù)O元素化合價變化計算轉(zhuǎn)移電子．

解答 解：（1）吸收池中盛有飽和碳酸鉀溶液，吸收空氣中的二氧化碳，轉(zhuǎn)化為KHCO₃，碳酸氫鉀不穩(wěn)定，在分解池中加熱分解生成碳酸鉀和二氧化碳、水，反應(yīng)方程式為：2KHCO₃$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$K₂CO₃+H₂O+CO₂↑，
故答案為：2KHCO₃$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$K₂CO₃+H₂O+CO₂↑；
（2）1mol二氧化碳反應(yīng)放出熱量為4947kJ×$\frac{1mol×44g/mol}{4400g}$=49.47kJ，該反應(yīng)的熱化學(xué)方程式為：CO₂（g）+3H₂（g）=CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49.47KJ/mol，
故答案為：CO₂（g）+3H₂（g）=CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49.47KJ/mol；
（3）采用300℃的溫度，可以加快反應(yīng)速率，且催化劑活性較高，
故答案為：加快反應(yīng)速率，使催化劑活性較高；
（4）合成塔中發(fā)生反應(yīng)：CO₂（g）+3H₂（g）=CH₃OH（g）+H₂O（g），生成高溫水蒸氣可以在分解池中循環(huán)利用，
故答案為：H₂O；
（5）合成塔中發(fā)生反應(yīng)：CO₂（g）+3H₂（g）=CH₃OH（g）+H₂O（g）．
①A．體積壓縮，反應(yīng)混合物各組分濃度均增大，故A錯誤；
B．體積壓縮，壓強增大，正、逆反應(yīng)速率都增大，故B錯誤；
C．CO和H₂按1：3的體積比投入，且二者按物質(zhì)的量1：3反應(yīng)，反應(yīng)體系中CO₂和H₂的體積比始終為1：3，故C正確；
D．壓縮體積，增大壓強，平衡正向移動，CH₃OH的體積分數(shù)增大，故D正確，
故選：CD；
②由圖可知，0.1MPa條件下CO₂的平衡轉(zhuǎn)化率為0.8，可知反應(yīng)的CO₂為0.8mol，根據(jù)方程式可知參加反應(yīng)氫氣物質(zhì)的量為0.8mol×3=2.4mol，則$\frac{\frac{2.4mol}{V}}{2min}$=1.2mol/（L．min），解得V=1L，
故答案為：1；
（6）原電池負極發(fā)生氧化反應(yīng)，甲醇在負極失去電子，堿性條件下生成碳酸根離子與水，負極電極反應(yīng)為：CH₃OH+8OH^--6e^-=CO₃^2-+6H₂O；
氧氣物質(zhì)的量為$\frac{6.72L}{22.4L/mol}$=0.3mol，轉(zhuǎn)移電子為0.3mol×4=1.2mol，
故答案為：CH₃OH+8OH^--6e^-=CO₃^2-+6H₂O；1.2．

點評 本題考查化學(xué)工業(yè)流程、熱化學(xué)方程式書寫、化學(xué)平衡計算與影響因素、電極反應(yīng)式的書寫等知識點，難度中等，注意燃料電池中電極反應(yīng)式的書寫要結(jié)合電解質(zhì)溶液的酸堿性，雖然燃料和氧化劑相同，如果電解質(zhì)溶液不同，則電極反應(yīng)式就不同．