Question

甲酸在有机化工中有广泛的用途，工业上可有多种途径来制备甲酸。回答下列问题：

(1)利用光催化制甲酸原理如图所示。

该装置能量转化方式为___。

(2)另一种以Ru化合物为催化剂，用H₂和CO₂制取甲酸的反应机理如下：

第一步：Ru(OH)₂+2H₂⇌RuH₂+2H₂O    快速平衡

第二步：RuH₂+2CO₂→Ru(OOCH)₂    慢反应(近似认为不影响第一步反应的平衡)

第三步：Ru(OOCH)₂+2H₂O→2HCOOH+Ru(OH)₂    快反应

下列表述正确的是___ (填序号)。

A．平衡时v(第一步的逆反应)＞v(第二步反应)

B．反应的中间产物只有Ru(OOCH)₂

C．第二步反应中RuH₂与CO₂的碰撞仅部分有效

D．第三步反应的活化能较低

(3)CO₂加氢也可制备甲酸(HCOOH)。

①工业上利用甲酸的能量关系转换图如图：

反应CO₂(g)+H₂(g) ⇌ HCOOH(g)的焓变△H=___kJ·mol^-1。

②温度为T₁℃时，将等物质的量的CO₂和H₂充入体积为1L的密闭容器中发生反应：CO₂(g)+H₂(g) ⇌ HCOOH(g)   K=2

实验测得：v_正=k_正c(CO₂)·c(H₂)，v_逆=k_逆c(HCOOH)，k_正、k_逆为速率常数。T₁℃时，k_逆=___(以k_正表示)。

③当温度改变为T₂℃时，k_正=1.9k_逆，则T₂℃时平衡压强___T₁℃时平衡压强(填“＞”“＜”或“=”)，理由是___。

(4)甲酸是唯一能和烯烃发生加成反应的羧酸，目前，科学家正在研究一种以乙烯作为还原剂的脱硝(NO)原理，其脱硝机理示意图如图1，脱硝率与温度、负载率(分子筛中催化剂的质量分数)的关系如图2所示。

①写出该脱硝原理总反应的化学方程式：___。

②为达到最佳脱硝效果，应采取的条件是___。

(5)T℃，甲酸与醋酸钠溶液反应：HCOOH+CH₃COO^- ⇌HCOO^-+CH₃COOH，该反应的平衡常数为12.5，则该温度下醋酸的电离常数K_a(CH₃COOH)=___(T℃时甲酸的电离常数为2×10^-4)。

Answer

光能转化为化学能和电能 ACD -31.4 0.5k正 ＞ CO2(g)+H2(g) ⇌HCOOH(g)为放热反应，温度升高，平衡常数减小，平衡左移，气体的物质的量增加，总压强增大；温度升高，总压强增大 6NO+3O2+2C2H43N2+4CO2+4H2O 350℃、负载率3.0% 1.6×10-5

【解析】

(1)根据图示分析能量的转化方式；

(2)根据第一步能够快速平衡，第二步为慢反应，第三步反应为快反应，结合反应方程式和反应速率的影响因素分析判断；

(3)①由图示可知①HCOOH(g)⇌CO (g)+H2O(g)△H=+72.6kJ/mol，②CO(g)+O2(g)=CO2(g)△H= -283.0kJ/mol，③H2(g)+ O2(g)=H2O(g)△H= -241.8kJ/mol，再利用盖斯定律分析解答；②反应达到化学平衡时，有v正=v逆，根据速率方程和化学平衡常数表达式分析计算；③根据平衡常数的变化判断平衡移动的方向结合温度的变化分析解答；

(4)①根据图1确定反应物、生成物，写出反应方程式；②为达到最佳脱硝效果，需要满足脱硝率高，负载率低，适宜的温度选择合适的条件；

(5)T℃，甲酸与醋酸钠溶液反应：HCOOH+CH3COO-⇌HCOO-+CH3COOH，该反应的平衡常数为12.5，即=12.5，则该温度下醋酸的电离常数Ka(CH3COOH)=，据此分析计算。

(1)根据图示，该装置能量转化方式为光能转化为化学能和电能，故答案为：光能转化为化学能和电能；

(2)A．第一步能够快速平衡，第二步为慢反应，因此平衡时v(第一步的逆反应)＞v(第二步反应)，故A正确；B．根据反应原理，反应的中间产物只有Ru(OOCH)2、RuH2和H2O，故B错误；C．第二步反应为慢反应，说明反应中RuH2与CO2的碰撞仅部分有效，故C正确；D．第三步反应为快反应，说明反应的活化能较低，反应容易进行，故D正确；故答案为：ACD；

(3)由图示可知①HCOOH(g)⇌CO (g)+H2O(g)△H=+72.6kJ/mol，②CO(g)+O2(g)=CO2(g)△H=-283.0kJ/mol，③H2(g)+O2(g)=H2O(g)△H=-241.8kJ/mol，根据盖斯定律，将①+②-③可得HCOOH(g)⇌CO2 (g)+H2(g) 的焓变△H=(+72.6kJ/mol)+(-283.0kJ/mol)-(-241.8kJ/mol)=+31.4kJ/mol，则CO2(g)+H2(g) ⇌HCOOH(g)的焓变△H= -31.4kJ/mol，故答案为：-31.4；

②反应CO2(g)+H2(g) ⇌HCOOH(g)达到化学平衡时，有v正=v逆，即k 正 c(CO2)•c(H2)=k 逆 c (HCOOH)，所以＝=2，所以k正=2k逆，即k逆=0.5k正，故答案为：0.5k正；

③当温度改变为 T2时，k正=1.9k逆，则K===1.9＜2，说明平衡逆向移动，气体的物质的量增大，总压强增大；该反应的正反应为放热反应，温度升高，平衡逆向移动，所以温度T2＞T1，温度升高，总压强增大，故答案为：＞；CO2(g)+H2(g) ⇌HCOOH(g)为放热反应，温度升高，平衡常数减小，平衡左移，气体的物质的量增加，总压强增大；温度升高，总压强增大；

(4)①由图1知，反应物为一氧化氮、氧气、乙烯，铜为催化剂，生成物为氮气、二氧化碳和水，反应的化学方程式为6NO+3O2+2C2H4 3N2+4CO2+4H2O，故答案为：6NO+3O2+2C2H4 3N2+4CO2+4H2O；

②为达到最佳脱硝效果，需要满足脱硝率高，负载率低，适宜的温度，由图可知，合适的条件为350℃、负载率3%，故答案为：350℃、负载率3%；

(5)T℃，甲酸与醋酸钠溶液反应：HCOOH+CH3COO- ⇌HCOO-+CH3COOH，该反应的平衡常数为12.5，即=12.5，则该温度下醋酸的电离常数Ka(CH3COOH)= ==×=×2×10-4=1.6×10-5，故答案为：1.6×10-5。