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)　ΔH＝－41 kJ·mol^－1

②C(s)＋2H₂(g) CH₄(g)　ΔH＝－73 kJ·mol^－1

③2CO(g) C(s)＋CO₂(g)　ΔH＝－171 kJ·mol^－1

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2 L密闭容器中，充入1 mol CO₂和3.25 mol H₂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________。

A 在原容器中再充入1 mol CO₂ 　

B 在原容器中再充入1 mol H₂

C 在原容器中充入1 mol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)中CO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________反应(填“吸热”或“放热”)；

②对于气相反应，用某组分(B)的平衡压强(p_B)代替物质的量浓度(c_B)也可以表示平衡常数(记作K_p)，则该反应的K_p＝_____（填表达式，不必代数计算）；如果提高p（H₂O）/p（CO），则K_p_______(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，采用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错误的是________。

A．该装置能量转化形式仅存在将太阳能转化为电能

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

Answer

CO2(g)＋4H2(g)CH4(g)＋2H2O(g) ΔH＝－162 kJ·mol－1 0.112 5 mol·L－1·min－1 ACD 放热 pCO2∙pH2/pCO∙pH2O 不变 催化剂的活性温度在400 ℃左右；投料比太低，CO的平衡转化率不高，而400 ℃左右，投料比3～5时CO的平衡转化率较高，已能满足要求，再增加投料比，成本增大，但CO的平衡转化率提高不多，经济上不合算 A

【解析】

(1)依据热化学方程式和盖斯定律分析计算；

(2)①根据图知，达到平衡状态时n(CH3OH)=n(H2O)=0.75mol，根据H原子守恒得消耗n(H2)=2n(CH3OH)+n(H2O)=2×0.75mol+0.75mol=2.25mol，结合v(H2)=计算；

②使CO2的转化率增大须使平衡向正反应方向移动，可采取的措施有增大压强、分离生成物或增加另一种反应物等措施；

(3)①由图可知，在相同的时，温度越高，CO的转化率越低，据此分析判断；②根据平衡常数的含义结合平衡常数只与温度有关判断；结合投料比、催化剂的活性、经济成本分析解答；

(4)该装置中，根据电子流向可知GaN是负极、Cu是正极，负极反应式为：2H2O-4e-=4H++O2↑，正极反应式为：CO2+8e-+8H+=CH4+2H2O，据此分析解答。

(1)①CO(g)+H2O(g)⇌H2(g)+CO2(g)△H=-41kJ•mol-1，②C(s)+2H2(g)⇌CH4(g)△H=-73kJ•mol-1，③2CO(g)⇌C(s)+CO2(g)△H=-171kJ•mol-1，盖斯定律计算②+③-①×2 得到CO2(g)+4H2(g)═CH4(g)+2H2O(g)△H=-162 kJ•mol-1，故答案为CO2(g)＋4H2(g)CH4(g)＋2H2O(g) ΔH＝-162 kJ•mol-1；

(2)①根据图知，达到平衡状态时n(CH3OH)=n(H2O)=0.75mol，根据H原子守恒得消耗n(H2)=2n(CH3OH)+n(H2O)=2×0.75mol+0.75mol=2.25mol，从反应开始到平衡，氢气的平均反应速率v(H2)===0.1125mol/(L•min)，故答案为0.1125mol/(L•min)；

②A．在原容器中再充入l mol CO2，平衡正向移动，但是反应消耗的二氧化碳增加量小于加入二氧化碳增加量，所以二氧化碳的转化率减小，故A选；B．在原容器中再充入1mol H2，平衡正向移动，消耗的二氧化碳量增加，则二氧化碳转化率增大，故B不选；C．在原容器中充入l mol氦气，参加反应的各物质的物质的量浓度不变，平衡不移动，则二氧化碳转化率不变，故C选；D．使用更有效的催化剂，增大化学反应速率，但是平衡不移动，则二氧化碳转化率不变，故D选；E．缩小容器的容积，增大压强平衡向气体体积减小的正反应方向移动，二氧化碳转化率增大，故E不选；F．将水蒸气从体系中分离，平衡正向移动，二氧化碳转化率增大，故F不选；不能使CO2的平衡转化率增大的有ACD，故答案为ACD；

(3)①由图可知，在相同的时，温度越高，CO的转化率越低，说明升高温度，平衡逆向移动，说明正反应为放热反应，故答案为放热；

②对于气相反应，用某组分(B)的平衡压强(pB)代替物质的量浓度也可以表示平衡常数(记作Kp)，反应的平衡常数=；平衡常数只与温度有关，与浓度无关，所以提高比，则KP不变；由图象可知，投料比太低，CO的转化率不太高，而投料比3～5时转化率已经很高，再增加投料比，需要大大的增加蒸汽添加量，这样在经济上不合算，温度在400℃左右时催化剂的活性最大，所以一般采用400℃左右， =3～5，故答案为；不变；催化剂的活性温度在400 ℃左右；投料比太低，CO的平衡转化率不高，而400 ℃左右，投料比3～5时CO的平衡转化率较高，已能满足要求，再增加投料比，成本增大，但CO的平衡转化率提高不多，经济上不合算；

(4) A．根据图示可知，该装置中将太阳能转化为电能和化学能，故A错误；B．根据电子流向可知，Cu是正极，正极上二氧化碳得电子和氢离子反应生成甲烷，电极反应式为：CO2+8e-+8H+=CH4+2H2O，故B正确；C．放电时，电解质溶液中阳离子向正极移动，所以装置中的H+由左向右移动，故C正确；故选A。