Question

二氧化碳捕集与封存是应对气候变化问题的解决方案之一。回答下列问题：

(l)我国科研团队利用低温等离子体协同催化技术，在常温常压下实现了将CO₂和CH₄一步转化为化工产品。试写出 CO₂与CH₄合成乙酸的热化学方程式：____。

（甲烷和乙酸的燃烧热分别为-890.31 kJ/mol、-876.72 kJ/mol）

(2)在某一钢性密闭容器中CH₄、CO₂的分压分别为15 kPa、20 kPa，加入Ni/α-Al₂ O₃催化剂并加热至1123 K使其发生反应：CH₄(g)+CO₂(g)2CO(g)+2H₂(g)。

①研究表明CO的生成速率v（CO）=1.2810^-2﹒p（CH₄）p（CO₂）（kPa s^-1），某时刻测得p(H₂)=10 kPa，则 p（CH₄）=___kPa，v（CO）=___kPa s^-1。

②达到平衡后测得体系压强是起始时的，则该反应的平衡常数Kp=____kPa）²。

(3)氮化镓(GaN)与Cu可组成如图所示的人工光合系统，该装置能以CO₂和H₂O为原料合成CH₄。

①该装置工作时H⁺移向____（填“GaN”或“Cu”）电极，该电极上的电极反应式为 ___。

②该装置每产生1 mol CH₄，左极室溶液质量减少____g。

③本实验条件下，若CO₂转化为烃（如甲烷、乙烯等）的转化率为10%，生成CH₄的选择性为12%，现收集到12 mol CH₄，则通入的CO₂为____mol。（已知：选择性=生成目标产物消耗的原料量／原料总的转化量）

(4)上述人工光合系统装置也可以制备乙烯、乙炔等重要化工原料。2010年Sheth等研究得出乙炔在Pd表面选择加氢的反应机理，如下图所示。其中吸附在Pd表面的物质用“*”标注。

上述吸附反应为 ____填“吸热”或“放热”）反应，该过程中最小能垒（活化能）为___ kJmol^-1，该步骤的化学方程式为____。

Answer

CH4（g）+CO2（g）＝CH3COOH（l）△H=-13.59 kJ/mol 10 1.92 3200 Cu CO2+8e-+8H+=CH4+2H2O 72 1000 放热 66 C2H2*+H*=C2H3*

【解析】

（1）根据甲烷和乙酸的燃烧热得出热化学方程式为：① CH4（g）+2O2（g）＝CO2（g）+2H2O（l） △H=-890.31 kJ/mol，② CH3COOH（l）+2O2（g）=2CO2（g）+2H2O（l） △H=-876.72 kJ/mol ，根据盖斯定律①-②得CH4（g）+CO2（g）═CH3COOH（l）△H=-890.31 kJ/mol-(-876.72 kJ/mol)=-13.59 kJ/mol，则CO2与CH4合成乙酸的热化学方程式为：CH4（g）+CO2（g）＝CH3COOH（l）△H=-13.59 kJ/mol，故答案为：CH4（g）+CO2（g）＝CH3COOH（l）△H=-13.59 kJ/mol；

（2）①在某一钢性密闭容器中CH4、CO2的分压分别为15 kPa、20 kPa，加入Ni/α-A12 O3催化剂并加热至1123 K使其发生反应：CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g)，则

p（CH4）=10kPa，v（CO）=1.2810-2 p（CH4）p（CO2）（kPa s-1）=1.2810-2×10×15=1.92（kPa s-1），故答案为：10；1.92；

②达到平衡后测得体系压强是起始时的，设达到平衡状态消耗甲烷分压x，

15-x+20-x+2x+2x=（15+20）×，解得x=10，因此平衡常数Kp=，故答案为：3200；

（3）①由图可知，负极上水失去电子生成氧气，正极上二氧化碳得到电子生成甲烷，阳离子向正极移动， 正极的电极反应为：CO2+8e-+8H+=CH4+2H2O，故答案为：Cu；CO2+8e-+8H+=CH4+2H2O；

②根据正极反应式知每产生1mol CH4转移电子数为8mol，左极室溶液质量较少的是水的质量，根据电子转移守恒及电极反应式H2O-4e-=O2↑+4H+得：m(H2O)=18g/mol× =72g，故答案为：72；

③由题意得n（CO2）×10%×12%=12mol，则n（CO2）=1000mol，故答案为：1000；

（4）根据图示知，吸附反应能量降低，则反应为放热；根据图示反应中最小能垒（活化能）为66 kJmol-1；该步骤的化学方程式为：C2H2*+H*=C2H3*；故答案为：放热；66；C2H2*+H*=C2H3*。