Question

利用太阳能、风能、生物质能等可再生能源，转化利用二氧化碳设计出适合高效清洁的合成燃料分子结构，实现CO₂+H₂O→C_xH_y的分子转化，生产合成甲烷、醇醚燃料、烷烃柴油、航空燃油等可再生合成燃料。因此二氧化碳的捕集、利用是我国能源领域的一个重要战略方向。

(1)一定条件下，在CO₂与足量碳反应所得平衡体系中加入H₂和适当催化剂，有下列反应发生：

CO(g)+3H₂(g)CH₄(g)+H₂O(g)    △H₁=-206.2kJ/mol

CO(g)+H₂O(g)CO₂(g)+H₂(g)    ∆H₂

若CO₂氧化H₂生成0.1molCH₄(g)和一定量的H₂O(g)，整个过程中放出的热量为16.5kJ，则△H₂=__。

(2)合成二甲醚的总反应为2CO₂(g)+6H₂(g)CH₃OCH₃(g)+3H₂O(g)   ∆H=-122.4kJ·mol^-1。某温度下，将2.0molCO₂(g)和6.0molH₂(g)充入容积为2L的密闭容器中，反应到达平衡时，改变压强和温度，平衡体系中CH₃OCH₃(g)的物质的量分数变化情况如图所示，则p₁__(填“>”“<"或“=”，下同)p₂。若T₃、p₃，T₄、p₄时平衡常数分别为K₃、K₄则K₃__K₄，T₁、p₁时H₂的平衡转化率为___。(结果保留三位有效数字)

(3)向2L密闭容器中加入2molCO₂和6molH₂，在适当的催化剂作用下，下列反应能自发进行：CO₂(g)+3H₂(g)CH₃OH(g)+H₂O(g)。

①该反应△H__(填“>”“<”或“=”)0。

②下列叙述能说明此反应达到平衡状态的是__(填字母代号)。

a．混合气体的平均相对分子质量保持不变

b．1molCO₂生成的同时有3molH-H键断裂

c．CO₂的转化率和H₂的转化率相等

d．混合气体的密度保持不变

③上述反应常用CuO和ZnO的混合物作催化剂。相同的温度和时间段内，催化剂中CuO的质量分数对CO₂的转化率和CH₃OH的产率影响的实验数据如下表所示：

ω(CuO)%	10	20	30	40	50	60	70	80	90
CH3OH的产率	25%	30%	35%	45%	50%	65%	55%	53%	50%
CO2的转化率	10%	13%	15%	20%	35%	45%	40%	35%	30%

由表可知，CuO的质量分数为__催化效果最佳。

(4)CO₂可用于工业制备草酸锌，其原理如图所示(电解液不参加反应)，Zn电极是__极。已知在Pb电极区得到ZnC₂O₄，则Pb电极上的电极反应式为__。

Answer

-41.2kJ/mol > < 57.1% < ab 60 阳 2CO2+2e-==C2O42-

【解析】

(1)由“若CO2氧化H2生成0.1molCH4(g)和一定量的H2O(g)，整个过程中放出的热量为16.5kJ”，我们可写出热化学方程式为：CO2(g)+4H2(g)==CH4(g)+2H2O(g) △H=-165.0kJ/mol，利用盖斯定律，可求出△H2。

(2)正反应为放热的体积缩小的可逆反应，依据平衡移动原理，增大压强、降低温度，平衡都正向移动，提取图中信息，便可得出p1与p2、K3与K4关系及T1、p1时H2的平衡转化率。

(3)①利用∆H-T∆S<0，可判断该反应的△H与0的关系。

②a．混合气体的平均相对分子质量保持不变，则气体的总物质的量不变；

b．1molCO2生成的同时有3molH-H键断裂，反应的方向相反，数值之比等于化学计量数之比；

c．对于该反应，CO2的转化率和H2的转化率始终相等；

d．对于该反应，混合气体的密度始终保持不变。

③由表中数据，可确定CuO的催化效果的最佳点。

(4)因为在Pb电极区得到ZnC2O4，则表明Pb电极上CO2得电子，作阴极，由此可确定Zn电极作电解池的电极名称，并可写出Pb电极上的电极反应式。

(1)由“若CO2氧化H2生成0.1molCH4(g)和一定量的H2O(g)，整个过程中放出的热量为16.5kJ”，我们可写出热化学方程式为：

CO2(g)+4H2(g)==CH4(g)+2H2O(g) △H=-165.0kJ/mol ①

CO(g)+3H2(g)CH4(g)+H2O(g) △H1=-206.2kJ/mol ②

利用盖斯定律，将②-①，即得CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g) ∆H2=-41.2kJ/mol。答案为：-41.2kJ/mol；

(2)合成二甲醚的总反应为2CO2(g)+6H2(g)CH3OCH3(g)+3H2O(g) ∆H=-122.4kJ·mol-1，

正反应为放热的体积缩小的可逆反应，依据平衡移动原理，增大压强，平衡正向移动；降低温度，平衡正向移动，平衡常数增大。提取图中信息，p1、T4时，二甲醚的物质的量分数大，所以p1>p2，T3>T4，则K3；<；57.1%；

(3) ①∆S<0，利用∆H-T∆S<0，可判断该反应的△H<0。答案为：<；

②a．混合气体的平均相对分子质量保持不变，则气体的总物质的量不变，表明反应达平衡状态，a符合题意；

b．1molCO2生成的同时有3molH-H键断裂，反应的方向相反，数值之比等于化学计量数之比，表明反应达平衡状态，b符合题意；

c．对于该反应，反应物的起始投入量之比等于化学计量数之比，所以不管反应进行到什么程度，CO2的转化率和H2的转化率始终相等，则反应不一定达平衡状态，c不合题意；

d．对于该反应，混合气体的质量与体积都不变，所以密度始终保持不变，反应不一定达平衡状态，d不合题意。答案为：ab；

③由表可知，CuO的质量分数为60%时，CH3OH的产率、CO2的转化率都达最大值，催化效果最佳。答案为：60；

(4)因为在Pb电极区得到ZnC2O4，则表明Pb电极上CO2得电子，Zn电极失电子作阳极；在阴极，CO2得电子生成C2O42-，与从阳极区通过阳离子交换膜迁移的Zn2+在阴极区发生反应生成ZnC2O4，电极反应式为2CO2+2e-==C2O42-。答案为：阳；2CO2+2e-==C2O42-。