Question

对CO₂进行综合利用可以节约能源，减少碳排放，对于环保有重要意义。

(1)CO₂与CH₄经催化重整，制得合成气：CH₄(g)+CO₂(g)2CO(g)+2H₂(g)

①已知上述反应中相关的化学键键能数据如下：

化学键	C—H	C=O	H—H
键能/(kJ/mol)	a	b	c	d

则估算该反应的△H=________kJ/mol（用a、b、c、d的代数式表示）。

②一定条件下，向2 L密闭容器中通入CO₂和CH₄各4 mol，发生反应：CH₄(g)+CO₂(g)2CO(g)+2H₂(g)。当反应达平衡时测得CO的体积分数为20%，则平衡时CO₂的浓度为________mol/L。

(2)以二氧化钛表面覆盖的Cu₂Al₂O₄为催化剂，可以将CO₂和CH₄直接转化成乙酸，反应方程式为CH₄+CO₂CH₃COOH。

①催化剂的催化效率与乙酸的生成速率随温度的变化关系如图3所示。在制备乙酸时，可选择的适宜温度为________。

②为了提高该反应中CH₄的转化率，可以采取的措施是________(写出一种)。

(3)CO₂在新型钴基电催化剂作用下转化为清洁燃料——甲酸，其工作原理如图4所示。该装置是________（填“原电池”或“电解池），电极的电极反应式为________。

Answer

4a+2b-2c-2d 1.5 250℃ 增大CO2的浓度 电解池 2O2--4e-=O2↑

【解析】

(1)①根据反应热等于反应物总键能与生成物总键能的差计算；

②根据物质反应转化关系计算各种物质的平衡时的物质的量，结合反应达平衡时测得CO的体积分数为20%，计算出CO2的平衡时的物质的量及浓度；

(2)①催化剂的催化效率越高，反应消耗能量越低，越有利于制取乙酸；

②根据平衡移动原理分析判断；

(3)根据原电池、电解池的区别判断；与电源正极连接的电极为阳极，与治理电源负极连接的电极为阴极，阳极发生氧化反应，阴极发生还原反应，据此解答。

(1)①由于反应热等于反应物总键能与生成物总键能的差，所以反应CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g)的反应热△H=(4×a+2×b-2×c-2×d) kJ/mol=(4a+2b-2c-2d) kJ/mol；

②反应开始时CO2和CH4各4 mol，发生反应：CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g)，假设反应消耗CO2的物质的量为x，则平衡时n(CH4)=n(CO2)=(4-x) mol，n(CO)=n(H2)=2x mol，当反应达平衡时测得CO的体积分数为20%，则×100%=20%，解得x=1 mol，所以平衡时n(CO2)=(4-x) mol=(4-1) mol=3 mol，容器的容积是2 L，则平衡时CO2的浓度c(CO2)=3 mol÷2 L=1.5 mol/L；

(2)①根据图示可知温度为250℃时，催化剂的催化效率最高，低于或高于该温度时催化剂的催化效率都未达到最高值，故在制备乙酸时，可选择的适宜温度为250℃；

②要提高反应CH4+CO2CH3COOH中CH4的平衡转化率，可通过增大CO2的浓度，使平衡正向移动，或减少CH3COOH的浓度，使平衡正向移动实现；

(3)由图示可知该装置中有直流电源，因此该装置属于电解池，其中b电极连接电源的正极，为阳极，阳极上O2-失去电子，发生氧化反应产生O2，故b电极的电极反应式为：2O2--4e-=O2↑。