Question

如图所示的过程是目前直接利用太阳能的研究热点。人们把通过人工光化学手段合成燃料的过程叫做人工光合作用。

(1)在上图构想的物质和能量循环中太阳能最终转化为____________能。

(2)人工光合作用的途径之一就是在催化剂和光照条件下，将CO₂和H₂O转化为CH₃OH，该反应的化学方程式为：2CO₂(g)+4H₂O(g)2CH₃OH(g)+3O₂(g)。

一定条件下，在2 L密闭容器中进行上述反应，测得n(CH₃OH)随时间的变化如表所示：

时间/min	0	1	2	3	4	5	6
n(CH3OH)/mol	0.000	0.040	0.070	0.090	0.100	0.100	0.100

①用CH₃OH表示0～3 min内该反应的平均反应速率为______________________。

②能说明该反应已达到平衡状态的是_______________。

a．v_正(H₂O)=2v_逆(CO₂)      b．n(CH₃OH）：n(O₂)=2：3

c．容器内密度保持不变    d．容器内压强保持不变

(3)我国科学家用Fe₃(CO)₁₂/ZSM-5催化CO₂加氢合成低碳烯烃反应，所得产物含CH₄、C₃H₆、C₄H₈等副产物，反应过程如图。

催化剂中添加Na、K、Cu助剂后（助剂也起催化作用）可改变反应的选择性，在其他条件相同时，添加不同助剂，经过相同时间后测得CO₂转化率和各产物的物质的量分数如表。

①欲提高单位时间内乙烯的产量，在Fe₃(CO)₁₂/ZSM-5中添加____________助剂效果最好；

②加入助剂能提高单位时间内乙烯产量的根本原因是____________。

(4)用人工光合作用得到的甲醇、氧气和稀硫酸制作电池，则甲醇应通入该电池的____极(填“正”或“负”)，溶液中的H⁺流向该电池的____极(填“正”或“负”)通入氧气的一极的电极反应式为_______________。

Answer

热 0.015 mol/(L·min) ad K 加快乙烯生成速率，而对其他副反应几乎无影响 负 正 O2+4H++4e-=2H2O

【解析】

(1)光合作用下生成燃料，燃料燃烧释放出能量；

(2)①根据表中数据可知，5 min后达到平衡状态，甲醇的物质的量为0.100 mol，利用3 min时甲醇的物质的量，结合容器的容积计算其物质的量的浓度，再根据v= 计算用甲醇表示0～3 min内该反应的平均反应速率；

②可逆反应达到平衡时，正、逆反应速率相等，各物质的浓度、含量不变，甲醇判断；

(3)①结合图表数据分析三种助剂对CO2转化率和乙烯在产物中的百分比分析；

②根据助剂起催化作用，结合催化剂在反应中的作用分析；

(4)该原电池中，通入燃料甲醇的电极是负极、通入氧气的电极是正极；甲醇失去电子生成二氧化碳气体，氧气得到电子与溶液中H+结合形成水；溶液中阳离子向正极定向移动，阴离子向负极定向移动。

(1)由据图可知，太阳能首先转化为化学能，然后再由化学能转化为热能，故太阳能最终能量转化形式为热能；

(2)①根据表中数据可知，3 min时甲醇的物质的量为0.09 mol，由于容器的容积是2 L，反应时间是3 min，故用甲醇表示的反应速率v(CH3OH)==0.015 mol/(L·min)；

②a．v正(H2O)=2v逆(CO2) 可说明正、逆反应速率相等，达到平衡状态，a正确；

b．在任何条件下都存在关系n(CH3OH）：n(O2)=2：3，因此无法判断各组分的浓度是否继续变化，则无法判断是否达到平衡状态，b错误；

c．因气体的体积以及质量不变，则容器内密度保持不变，不能用于判断是否达到平衡状态，c错误；

d．反应前后气体的体积不等，容器内压强为变量，但容器内压强保持不变，可说明达到平衡状态，d正确；

故合理选项是ad；

(3)①结合图表数据分析可知加钠时CO2转化率最大，但乙烯在产物中百分比太低，副产物过多，加铜时乙烯在产物中的百分比最大，但CO2转化率却太低，综合考虑加K时转化率不算低，同时乙烯在产物中的百分比较高。故欲提高单位时间内乙烯的产量，在Fe3(CO)12/ZSM-5中添加K助剂效果最好；

②助剂本身也起催化作用，而催化剂在反应过程中可以降低反应的活化能，从而加快反应速率，因此助剂可以起到降低生成乙烯的反应所需要的活化能，加快乙烯生成速率，而对其他副反应几乎无影响；

(4)在反应中甲醇被氧化，故通入甲醇的电极应为电池的负极，正极上氧气得到电子发生还原反应，则通入氧气的一极为正极，氧气被还原生成水，正极的电极反应式为：O2+4H++4e-=2H2O。根据同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引的原则，溶液中的H+向负电荷较高的正极定向移动。