Question

随着科学技术的发展和环保要求不断提高，CO₂的捕集利用技术成为研究的重点。

Ⅰ.工业上使用的捕碳剂有NH₃和(NH₄)₂CO₃，它们与CO₂可发生如下可逆反应：

NH₃(l)＋H₂O(l)＋CO₂(g)NH₄HCO₃(aq)　ΔH₁

2NH₃(l)＋H₂O(l)＋CO₂(g)(NH₄)₂CO₃(aq)　ΔH₂

(NH₄)₂CO₃(aq)＋H₂O(l)＋CO₂(g)2NH₄HCO₃(aq)　ΔH₃

则ΔH₃＝_________________(用含ΔH₁、ΔH₂的代数式表示)。

Ⅱ.目前国际空间站处理CO₂的一个重要方法是将CO₂还原，所涉及的化学反应方程式为CO₂(g)＋4H₂(g)CH₄(g)＋2H₂O(g)，已知：H₂的体积分数随温度的升高而增加。

（1）该反应的ΔS________0(填“＞”“＜”或“＝”)，该反应的ΔH________0(填“＞”或“＜”)。

（2）在恒容密闭容器中通入等物质的量的CO₂和H₂并发生上述反应，T ℃下，CO₂物质的量浓度c(CO₂)随时间t变化的曲线如图所示。下列能说明反应达到平衡状态的是________(填字母代号)。

A．体系压强保持不变

B．混合气体密度保持不变

C．甲烷和水蒸气的物质的量之比保持不变

D．H₂的质量分数保持不变

（3）T℃下，反应前20 s的平均反应速率v(H₂)＝______________(用含a、b的代数式表示)。

（4）T℃下，该反应的平衡常数K＝_________________________(用含a、b的代数式表示)。

（5）若降低温度，反应重新达到平衡，则v(正)________；CO₂转化率________(填“增大”“减小”或“不变”)。

Ⅲ.工业上常用高浓度的K₂CO₃溶液吸收CO₂，得溶液X，再利用电解法使K₂CO₃溶液再生，其装置示意图如图所示：

（1）在阳极区发生的反应包括___________________________________和H^＋＋HCO₃^－=CO₂↑＋H₂O。

（2）简述CO₃^2－在阴极区再生的原理：____________________________。

（3）NH₃·BH₃＋3H₂O₂=NH₄BO₂＋4H₂O。下列说法正确的是___________。

A．电流从左侧电极经过负载后流向右侧电极

B．BO₂^－通过质子交换膜向正极移动

C．负极附近溶液pH增大

D．正极的反应式为3H₂O₂＋6H^＋＋6e^－=6H₂O

Answer

2ΔH1－ΔH2 ＜ ＜ AD mol/(L·s) 减小 增大 4OH－－4e－=2H2O＋O2↑或2H2O－4e－=4H＋＋O2↑ 阴极H＋放电产生H2，OH－浓度变大并与HCO3－反应使CO32－再生 D

【解析】

I．①NH3(l)＋H2O(l)＋CO2(g)NH4HCO3(aq) ΔH1

②2NH3(l)＋H2O(l)＋CO2(g)(NH4)2CO3(aq) ΔH2

③(NH4)2CO3(aq)＋H2O(l)＋CO2(g)2NH4HCO3(aq) ΔH3

利用盖斯定律计算①×2-②得到(NH4)2CO3(aq)＋H2O(l)＋CO2(g)2NH4HCO3(aq) ΔH3＝2ΔH1－ΔH2；

Ⅱ.(1)该反应正反应方向气体分子数减少，则ΔS＜0，已知H2的体积分数随温度的升高而增加，说明温度升高，平衡逆向移动，正反应方向为放热反应，则ΔH＜0；

（2）A.该反应前后气体分子数不等，反应过程中体系压强发生变化，当体系压强不变时，说明反应达到平衡状态，故A正确；

B.反应前后气体总质量不变，容器体积不变，气体密度始终不变，不能说明反应达到平衡状态，故B错误；

C.从反应开始到平衡，甲烷和水蒸气的物质的量之比均为1:2,始终不变，不能说明反应达到平衡状态，故C错误；

D.H2的质量分数保持不变，说明正逆反应速率相等，反应达到平衡状态，故D错误；

故答案选：AD；

（3）由图1可知：反应前20秒CO2的物质的量浓度减少（a-b）mol/L,则H2物质的量浓度减少4（a-b）mol/L，平均速率mol/(L·s)；

（4）起始时通入等物质的量的CO2和H2，二者的起始浓度相等，均为a mol/L，减少的浓度分别为(a-b) mol/L和4(a-b) mol/L，平衡浓度分别为b mol/L、(4b-3a）mol/L，CH4和水蒸气的平衡浓度分别为(a-b) mol/L和2(a-b) mol/L，该反应的平衡常数；

（5）降低温度，v(正)减小，平衡正向移动，CO2转化率增大；

Ⅲ.（1）由图2可知：阳极区OH-失电子生成O2，电极反应式为或；

（2）阴极的电极反应为，c(H+)减小，电离平衡正向移动，可以使CO32-再生；

（3）由反应NH3·BH3＋3H2O2=NH4BO2＋4H2O可知H2O2中氧元素化合价下降发生还原反应，为原电池的正极，NH3·BH3中B元素化合价升高，发生氧化反应，为原电池的负极。

A. 电流从正极流向负极，即从右侧电极经过负载后流向左侧电极，故A错误；

B. 放电时,阴离子向负极移动,所以BO2−通过质子交换膜向负极移动，故B错误；

C. NH3•BH3为负极失电子发生氧化反应,电极反应式为，所以负极附近溶液pH减小，故C错误；

D. 右侧H2O2为正极得到电子发生还原反应,电极反应式为，故D正确；

故答案选：D。