Question

CO₂是一种廉价的碳资源，其综合利用具有重要意义。回答下列问题：

（1）CO₂可以被NaOH溶液捕获。若所得溶液pH=13，CO₂主要转化为______（写离子符号）；若所得溶液c(HCO₃⁻)∶c(CO₃²⁻)=2∶1，溶液pH=___________。（室温下，H₂CO₃的K₁=4×10⁻⁷；K₂=5×10⁻¹¹）

（2）CO₂与CH₄经催化重整，制得合成气：

CH₄(g)+ CO₂(g) 2CO (g)+ 2H₂(g)

①已知上述反应中相关的化学键键能数据如下：

化学键	C—H	C=O	H—H	CO(CO)
键能/kJ·mol^−^1	413	745	436	1075

则该反应的ΔH=_________。分别在VL恒温密闭容器A（恒容）、B（恒压，容积可变）中，加入CH₄和CO₂各1 mol的混合气体。两容器中反应达平衡后放出或吸收的热量较多的是_______（填“A” 或“B ”）。

②按一定体积比加入CH₄和CO₂，在恒压下发生反应，温度对CO和H₂产率的影响如图3所示。此反应优选温度为900℃的原因是________。

（3）O₂辅助的Al～CO₂电池工作原理如图4所示。该电池电容量大，能有效利用CO₂，电池反应产物Al₂(C₂O₄)₃是重要的化工原料。

电池的负极反应式：________。

电池的正极反应式：6O₂+6e⁻6O₂⁻

6CO₂+6O₂⁻3C₂O₄²⁻+6O₂

反应过程中O₂的作用是________。

该电池的总反应式：________。

Answer

CO32- 10 +120 kJ·mol-1 B 900 ℃时，合成气产率已经较高，再升高温度产率增幅不大，但能耗升高，经济效益降低 Al–3e–=Al3+（或2Al–6e–=2Al3+） 催化剂 2Al+6CO2=Al2(C2O4)3

【解析】

（1）CO2可以被NaOH溶液捕获。若所得溶液pH=13，因为得到溶液的碱性较强，所以CO2主要转化为碳酸根离子（CO32-）。若所得溶液c(HCO3−)∶c(CO32−)=2∶1，，则根据第二步电离平衡常数K2==5×10−11，所以氢离子浓度为1×10-10mol/L，pH=10。

（2）①化学反应的焓变应该等于反应物键能减去生成物的键能，所以焓变为(4×413+2×745)－(2×1075+2×436)= +120 kJ·mol-1。初始时容器A、B的压强相等，A容器恒容，随着反应的进行压强逐渐增大（气体物质的量增加）；B容器恒压，压强不变；所以达平衡时压强一定是A中大，B中小，此反应压强减小平衡正向移动，所以B的反应平衡更靠右，反应的更多，吸热也更多。

②根据图3得到，900℃时反应产率已经比较高，温度再升高，反应产率的增大并不明显，而生产中的能耗和成本明显增大，经济效益会下降，所以选择900℃为反应最佳温度。

（3）明显电池的负极为Al，所以反应一定是Al失电子，该电解质为氯化铝离子液体，所以Al失电子应转化为Al3+，方程式为：Al–3e–=Al3+（或2Al–6e–=2Al3+）。根据电池的正极反应，氧气再第一步被消耗，又在第二步生成，所以氧气为正极反应的催化剂。将方程式加和得到，总反应为：2Al+6CO2=Al2(C2O4)3。