Question

“低碳经济”已成为全世界科学家研究的重要课题。为减小和消除 CO₂对环境的影响，一方面世界各国都在限制其排放量，另一方面科学家加强了对 CO₂ 创新利用的研究。

(1)已知：①CO(g)+H₂O(g)H₂(g)+CO₂(g) △H=-41kJ/mol

②C(s)+2H₂(g)CH₄(g) △H=-73kJ/mol

③2CO(g)C(s)+CO₂(g) △H=-17kJ/mol

写出CO₂与H₂反应生成CH₄和H₂O(g)的热化学方程式：_____。

(2)目前工业上有一种方法是用 CO₂来生产燃料甲醇。为探究该反应原理，在容积为 2L密闭容器中，充入1molCO₂和 3.25molH₂在一定条件下发生反应，测得 CO₂、CH₃OH(g)和 H₂O(g)的物质的量(n)随时间的变化如图所示：

①从反应开始到平衡，氢气的平均反应速率v(H₂)＝ ____。

②下列措施一定不能使CO₂的平衡转化率增大的是____ (填字母)。

A.在原容器中再充入1molCO₂    

B.在原容器中再充入1molH₂

C.在原容器中充入1mol氦气    

D.使用更有效的催化剂

E.缩小容器的容积    

F.将水蒸气从体系中分离

(3)煤化工通常研究不同条件下CO转化率以解决实际问题。已知在催化剂存在条件下反应：CO(g)＋H₂O(g)⇌H₂(g)+CO₂(g)的平衡转化率随p(H₂O)/p(CO)及温度变化关系如图所示：

①上述反应的正反应方向是 ____(填“吸热”或“放热”)反应；

②对于气相反应，用某组分(B)的平衡压强(pB)代替物质的量浓度(cB)也可以表示平衡常数(记作 Kp)，则在恒温密闭容器中，该反应的Kp与Kc的关系是 _______，如果提高p(H₂O)/p(CO)，则Kp_______ （填“变大”“变小”或“不变”）；使用铁镁催化剂的实际工业流程中，一般采用400℃左右，p(H₂O)/p(CO) =3～5，采取此条件的原因可能是 _________ 。

(4)科学家用氮化镓材料与铜组装成如图所示的人工光合系统，利用该装置实现了用CO₂和H₂O合成CH₄。下列关于该电池的叙述正确的是 ____(填字母)。

A.该装置能量转化形式仅存在太阳能转化为电能

B.铜电极为正极，电极反应式为CO₂+8e^-+8H⁺=CH₄+2H₂O

C.电池内部H^＋透过质子交换膜从左向右移动

D.反应结束后，理论上溶液的 pH 值保持不变

Answer

ACD 放热 相等 不变 投料比太低，的转化率不高，而投料比3~5时转化率已经在97%左右，再增加投料比收益不明显，经济上不划算，而反应温度是根据催化剂的活性温度来制定的 BCD

【解析】

（1）该小题是一道典型的盖斯定律的应用，通过观察可以发现用③-2①+②即可得到目标方程，注意各物质的状态不要漏标；

（2）①先写出反应方程式，化学反应速率之比等于化学计量数之比，因此只要算出任意一种物质的速率，即可得到氢气的反应速率；

②转化率即某一反应物的转化百分率，可以用物质的量、质量、体积（相同条件下）来计算，据此来分析各选项即可；

（3）根据题图，当相同时，温度越高转化率越低，因此正反应是放热反应；

（4）虽然题干里告诉我们这是一个“人工光合系统”，实际上因为该装置无外电源，因此必然为一个原电池装置，再来根据原电池的规律分析即可。

（1）根据盖斯定律，由③-2①+②得到，；

（2）①该反应为：CO2(g)+3H2(g) H2O(g)+CH3OH(l)；先求出的平均反应速率：，则氢气的平均反应速率为的三倍，即；

②A.向原容器中充入更多的一定会导致的转化率降低，A项正确；

B.向原容器中充入氢气（另一种反应物），则可以提高的转化率，B项错误；

C.容器是定容的，充入氦气后容器体积不改变，各物质的浓度不改变，因此平衡也不会改变，平衡转化率自然也不会改变，C项正确；

D.催化剂不改变平衡，自然无法影响转化率，D项正确；

E.缩小容器体积相当于增大压强，根据勒夏特列原理，平衡向气体分子数减少的方向移动（正向），则转化率增大，E项错误；

F.将水蒸气（产物）从体系中分离，可以使逆反应速率小于正反应速率，平衡也会正向移动，转化率增大，F项错误；

答案选ACD；

（3）①当相同时，温度越高转化率越低，因此正反应是放热反应；

②既然我们用某组分的平衡压强来代替物质的量浓度，则，而平衡压强与浓度成正比，因此可以说明；对于给定的反应，平衡常数大小只与温度有关，因此改变不会影响；根据图表我们发现若投料比太低，的转化率不高，而投料比3~5时转化率已经在97%左右，再增加投料比收益不明显，在经济上不划算，而反应温度是根据催化剂的活性温度来制定的，该温度下催化剂活性最大；

（4）A.根据分析这是一个原电池装置，将太阳能转化为电能和化学能，A项错误；

B.原电池中，电子从负极流出，经外电路流回正极，因此铜为正极，在正极得电子转变为甲烷，B项正确；

C.原电池工作时，阳离子从负极流向正极，C项正确；

D.负极发生水的光解，因此电池的总反应方程为，因此理论上溶液pH不变，D项正确；

答案选BCD。