Question

2019年12月4日“全球碳计划”发布报告说，全球CO₂排放量增速趋缓。人们还需要更有力的政策来逐步淘汰化石燃料的使用。CO₂的综合利用是解决温室问题的有效途径。

(1)一种途径是用CO₂转化为成为有机物实现碳循环。如：

C₂H₄(g)+H₂O(l)⇌C₂H₅OH(l) ΔH＝-44.2kJ·mol^-1；

2CO₂(g)+2H₂O(l)⇌C₂H₄(g)+3O₂(g) ΔH＝+1411.0kJ·mol^-1。

已知2CO₂(g)+3H₂O(l)⇌C₂H₅OH(l)+3O₂(g)，其正反应的活化能为E_a kJ·mol⁻¹，则逆反应的活化能为__kJ·mol^-1。乙烯与HCl加成生成的氯乙烷在碱性条件下水解也得到乙醇，其水解反应的离子方程式为__，v=kc^m(CH₃CH₂Cl)cⁿ(OH^-)为速率方程，研究表明，CH₃CH₂Cl浓度减半，反应速率减半，而OH^-浓度减半对反应速率没有影响，则反应速率方程式为__。

(2)利用工业废气中的CO₂可以制取甲醇和水蒸气，一定条件下，往2L恒容密闭容器中充入1mol CO₂和3mol H₂，在三种不同催化剂作用下发生反应，相同时间内CO₂的转化率随温度变化曲线如图所示：

①催化剂效果最佳的反应是__(填“曲线I”，“曲线II”，“曲线III”)。

②b点，υ(正)__υ(逆)(填“>”，“<”，“=”)。

③若此反应在a点时已达平衡状态，a点的转化率比c点高的原因是__。

④c点时该反应的平衡常数K＝__。

(3)中国科学家首次用CO₂高效合成乙酸，其反应路径如图所示：

①根据图示，写出总反应的化学方程式：__。

②原料中的CH₃OH可通过电解法由CO₂制取，用稀硫酸作电解质溶液，写出生成CH₃OH的电极反应式__。

Answer

Ea-1366.8 CH3CH2Cl(aq)+OH-(aq)→C2H5OH(aq)+Cl-(aq) v=kc(CH3CH2Cl) 曲线I ＞ 该反应为放热反应，温度升高，平衡逆向移动 CH3OH+CO2+H2CH3COOH+H2O CO2+6e-+6H+=CH3OH+H2O

【解析】

(1)应用盖斯定律，计算出2CO2(g)+3H2O(l)⇌C2H5OH(l)+3O2(g)的ΔH，并按照ΔH=正反应的活化能-逆反应的活化能，计算逆反应的活化能，氯乙烷在碱性条件下水解得到乙醇和氯化钠，据此写反应的离子方程式，按反应物浓度对速率的影响数据，写反应速率方程式即可；

(2)一定条件下，往2L恒容密闭容器中充入1mol CO2和3mol H2后反应得到甲醇和水蒸气，反应方程式为CO2(g)+3H2(g)⇌CH3OH(g)+H2O(g)，按照CO2的转化率随温度变化关系图分析、计算回答即可；

(3)①根据图示，找出总的反应物、催化剂和产物，据此写总反应的化学方程式；

②原料中的CH3OH可通过电解法由CO2制取，二氧化碳在阴极反应，故是二氧化碳得电子被还原的反应，据此写生成CH3OH的电极反应式。

(1)反应①C2H4(g)+H2O(l)⇌C2H5OH(l) ΔH1=-44.2kJ·mol-1

反应②2CO2(g)+2H2O(l)⇌C2H4(g)+3O2(g) ΔH2=+1411.0kJ·mol-1

应用盖斯定律，反应①+反应②得到：2CO2(g)+3H2O(l)⇌C2H5OH(l)+3O2(g)，则该反应的ΔH= ΔH1+ΔH2，故ΔH=-44.2kJ·mol-1+(+1411.0kJ·mol-1)= +1366.8kJ·mol-1，因为ΔH=正反应的活化能-逆反应的活化能，正反应的活化能为Ea kJ·mol-1，则逆反应的活化能为(Ea-1366.8)kJ·mol-1；

氯乙烷在碱性条件下水解得到乙醇和氯化钠，则反应的离子方程式为CH3CH2Cl(aq)+OH-(aq)→C2H5OH(aq)+Cl-(aq)；该反应的速率方程为v=kcm(CH3CH2Cl)cn(OH-)，研究表明，CH3CH2Cl浓度减半，反应速率减半，则可知m=1，而OH-浓度减半对反应速率没有影响，则n=0，故反应速率方程式为v=kc(CH3CH2Cl)；

(2)一定条件下，密闭容器中发生的反应为CO2(g)+3H2(g)⇌CH3OH(g)+H2O(g)，

①相同温度下相同时间内CO2转化率最高的是曲线Ⅰ，故最佳催化剂为曲线I ；

②在同一温度下，曲线I的催化效率最好，则在b点的温度下，曲线I的速率也是最快的，说明b点并未达到平衡，且CO2的转化率将继续增大，即平衡仍将正向移动，则v(正 )＞v(逆)；

③若此反应在a点时已达平衡状态，则继续升温就会使平衡移动，故a 点的转化率比c点高的原因为该反应为放热反应，温度升高，平衡逆向移动；

④该条件下，一开始往2L恒容密闭容器中充入1mol CO2和3mol H2，由图知，c点时二氧化碳转化了，则 列“三段式”：

平衡时2L容器内CO2(g)、H2(g)、CH3OH(g)、H2O(g)的浓度依次为mol/L、mol/L、mol/L、mol/L ，则该反应的平衡常数K==；

(3)①通过电解法由CO2制取CH3OH，碳元素化合价降低，故是二氧化碳得电子被还原的反应，故二氧化碳在阴极反应，则生成CH3OH的电极反应式为CO2+6e-+6H+=CH3OH+H2O；

②根据图示，CH3OH、CO2和H2在LiI、Rh+催化作用下生产CH3COOH和H2O，总反应的化学方程式为CH3OH+CO2+H2CH3COOH+H2O。