Question

对温室气体二氧化碳的研究一直是科技界关注的重点。

Ⅰ.在催化剂存在下用H₂还原CO₂是解决温室效应的重要手段之一，相关反应如下：

主反应：CO₂(g)＋4H₂(g)⇌CH₄(g)＋2H₂O(g)　ΔH₁①

副反应：CO₂(g)＋H₂(g)=CO(g)＋H₂O(g)　ΔH₂＝＋41.2 kJ·mol^－1

已知：H₂和CH₄的燃烧热分别为285.5 kJ·mol^－1和890.0 kJ·mol^－1，H₂O(l)===H₂O(g)　ΔH＝＋44 kJ·mol^－1。

(1)ΔH₁＝________ kJ·mol^－1。

(2)有利于提高CH₄产率的反应条件是(至少写两条)______________________________工业上提高甲烷反应选择性的关键因素是________________________________。

(3)T℃时，若在体积恒为2 L的密闭容器中同时发生上述反应，将物质的量之和为5 mol的H₂和CO₂以不同的投料比进行反应，结果如图1所示。若a、b表示反应物的平衡转化率，则表示H₂平衡转化率的是________，c、d分别表示CH₄(g)和CO(g)的体积分数，由图1可知＝________时，甲烷产率最高。若该条件下CO的产率趋于0，则T℃时①的平衡常数K＝___________________。

Ⅱ.溶于海水的CO₂ 95%以HCO₃^-形式存在。

在海洋中，通过图2钙化作用实现碳自净。

(4)写出钙化作用的离子方程式________________。

(5)电解完成后，a室的pH________(填“变大”、“变小”或“几乎不变”)；b室发生反应的离子方程式为________________________。

Answer

－164.0 降低温度、增大压强 催化剂 b 4 100 2HCO3-＋Ca2＋=CaCO3↓＋CO2↑＋H2O 几乎不变 H＋＋HCO3-=CO2↑＋H2O

【解析】

Ⅰ(1)根据盖斯定律解答；

(2)该主反应为气体分子数减小的放热反应，根据外界条件平衡移动的影响分析如何提高产率；

(3)结合图像曲线分析的比值，确定转化率，再利用“三段式”求解平衡常数；

Ⅱ(4)由图2可知，HCO3-为反应物，CaCO3、CO2为生成物，据此分析书写离子反应方程式；

(5)a室为阳极室，阳极上发生氧化反应，电极反应式为2H2O－4e－=O2↑＋4H＋，阳离子向阴极移动，据此分析。

Ⅰ(1)由H2和CH4的燃烧热分别为285.5 kJ·mol－1和890.0 kJ·mol－1，可得：

①CO2(g)＋4H2(g)⇌CH4(g)＋2H2O(g) ΔH1

②H2(g)＋O2(g)=H2O(l) ΔH＝－285.5 kJ·mol－1

③CH4(g)＋2O2(g)=CO2(g)＋2H2O(l) ΔH＝－890.0 kJ·mol－1

④H2O(l)=H2O(g) ΔH＝＋44 kJ·mol－1

根据盖斯定律知，①＝②×4－③＋④×2，则ΔH1＝(－285.5 kJ·mol－1)×4－(－890.0 kJ·mol－1)＋(＋44 kJ·mol－1)×2＝－164.0 kJ·mol－1；

(2)该主反应为气体分子数减小的放热反应，故有利于提高CH4产率的反应条件是降低温度、增大压强。催化剂具有专一性，工业上提高甲烷反应选择性的关键因素是催化剂；

(3)随着增大，H2的平衡转化率减小，CO2的平衡转化率增大，结合题图1可得，b表示H2的平衡转化率，a表示CO2的平衡转化率。c表示甲烷的体积分数，当＝4时，甲烷产率最高。＝4时，CO的产率趋于0，由题意并结合题图1得起始时c(CO2)＝0.5 mol·L－1，c(H2)＝2 mol·L－1，CO2、H2的平衡转化率均为0.80，则根据三段式法有：

平衡常数K＝＝＝100；

Ⅱ(4)由题图2可知，HCO为反应物，CaCO3、CO2为生成物，则钙化作用的离子方程式为2HCO＋Ca2＋=CaCO3↓＋CO2↑＋H2O；

(5)a室为阳极室，阳极上发生氧化反应，电极反应式为2H2O－4e－=O2↑＋4H＋，反应产生的H＋通过质子交换膜进入b室参与反应生成CO2和H2O时进入阴极室与OH－也反应，所以电解后a室溶液的pH几乎不变，b室发生反应的离子方程式为H＋＋HCO3-=CO2↑＋H2O。