Question

为了解决能源的可再生及将CO₂变废为宝等问题，科学家借鉴自然界的光合作用原理，通过“人工” 光合作用合成了甲醇等液态燃料，因此甲醇又被称为液态太阳燃料。液态太阳燃料的合成及应用如下图所示。 请回答：

(1) 联系自然界的光合作用原理，并结合上述图示， 写出“人工”光合作用的化学方程式；______；在图示转化过程中，太阳能除了储存在甲醇中，还储存在_____中(填化学式)。

(2)图中热催化过程的反应原理为CO₂(g) + 3H₂(g) = CH₃OH(g) + H₂O(g)△H。

已知：2H₂(g)+O₂(g)=2H₂O (g)△H₁= -483.6 kJ•mo1^-1；

2CH₃OH(g)+3O₂(g)=2CO₂(g)+4H₂O(g)△H₂=-1352.86 kJ•mol^-1

△H =_____________。

(3)实验室对热催化反应进行模拟探究：一定温度下，向容积均为2 L 的恒容密闭容器中分别通入1.0 mol CO₂(g)和3.0 mol H₂(g)， 在不同催化剂X、Y 的催化下发生反应。测得5 min时，CO₂转化率与温度的变化关系如图所示。

 

①该反应适宜选用的催化剂为__________(填“X'”或 “Y”)。

②T₁K时，a点对应容器在0～5 min内的平均反应速率v(H₂)=______；b、c点对应状态下反应物的有效碰撞几率b______c(填“＞”“＜”或“=”)，原因为___________。

③T₂K时，若反应前容器内的压强为p， 则该温度下反应的平衡常数K_P=_________。 (K_P为用分压表示的平衡常数)。

(4)我国化学家结合实验和计算机模拟结果，研究得出热催化反应的一种可能历程如图所示，其中自由基用“•”标出，过渡态用TS表示。

四个过渡态中对反应速率影响最大的是____，理由为____；该步骤的化学方程式为____。

Answer

2CO2+4H2O2CH3OH+3O2或2H2O2H2+O2、CO2+3H2CH3OH+H2O H2 -48.97 kJ· mo1-1 X 0.12 mol-1•min-1 ＞ b点比c点对应状态下反应物浓度大，体系温度高 TS1 该步反应的活化能（或能垒或需要吸收的能量）最大 CO2+6H•=HOCO•+5H•或CO2+H•=HOCO•

【解析】

根据液态太阳燃料的合成示意图分析反应过程；根据盖斯定律计算热催化过程的ΔH，结合转化率图像选择合适的催化剂，并根据公式计算反应速率，根据三段式计算压强平衡常数，根据图像分析写出化学方程式。

(1)由液态太阳燃料的合成示意图分析可知，排放在空气中的CO2与H2O电解产生的H2在太阳能的条件下发生反应生成CH3OH，反应的化学方程式为2CO2+4H2O2CH3OH+3O2或2H2O2H2+O2、CO2+3H2CH3OH+H2O，则太阳能出来储存在甲醇中，还储存在H2中，故答案为：2CO2+4H2O2CH3OH+3O2或2H2O2H2+O2、CO2+3H2CH3OH+H2O；H2；

(2)根据题干信息，(3×反应1-反应2)可得反应CO2(g)+3H2(g)=CH3OH(g)+H2O(g)，根据盖斯定律可得，故答案为：-48.97；

(3)①根据图像可知，相同温度时选用催化剂X时，CO2的转化率较高，故答案为：X；

②由图像，T1K时，a点对应容器在0～5 min内CO2的转化率为40%，则Δn(CO2)=1.0mol×40%=0.4mol，根据方程式CO2(g)+3H2(g)=CH3OH(g)+H2O(g)可知，Δn(H2)=3Δn(CO2)=1.2mol，则平均反应速率，由于b点比c点对应状态下反应物浓度大，体系温度高，所以b点对应状态下反应物的有效碰撞几率b＞c，故答案为：0.12 mol-1•min-1；＞；b点比c点对应状态下反应物浓度大，体系温度高；

③由图像可知，T2K时CO2的转化率为60%，即Δn(CO2)=1.0mol×60%=0.6mol，则可列三段式：

由阿伏加德罗定律PV=nRT可知，恒温恒容时，压强与物质的量成正比，因此反应后的总压强为0.7p，则该温度下反应的平衡常数，故答案为：；

(4)由热催化反应的历程图分析可知，TS1步反应的活化能（或能垒或需要吸收的能量）最大，对反应速率的影响最大，反应方程式为CO2+6H•=HOCO•+5H•或CO2+H•=HOCO•，故答案为：TS1；该步反应的活化能（或能垒或需要吸收的能量）最大；CO2+6H•=HOCO•+5H•或CO2+H•=HOCO•。