Question

【題目】請運用化學反應原理的相關知識研究碳及其化合物的性質。

(1)工業上可利用CO或CO2來制備清潔液體燃料甲醇。已知: 800℃時

反應①:2H2(g)+CO(g)CH3OH(g) △H=-90.8 kJ/mol

反應②:H2(g)+CO2(g)H2O(g)+CO(g) △H=+41.2kJ/mol

(1)寫出用CO2與H2反應制備甲醇的熱化學方程式___________________________________。

(2)對于反應①，在體積一定的密閉容器中按物質的量之比1:2充入CO和H2，測得平衡混合物中CH3OH的體積分數在不同壓強下隨溫度的變化如圖1所示。據此判斷

①壓強P1_____P2(填“>”“<”或“=”，下同)

②平衡常數K(狀態C)_____K(狀態D)

③反應速率:V逆(狀態A)_____V逆(狀態B)

(3)對于反應②，在體積一定的密閉容器中加入一定量的H2和CO。進行反應。下列說法正確的是______。

A.若該反應在恒容，絕熱的容器中進行，當容器中壓強保持不變時表明反應達到平衡狀態

B.該反應達到平衡時，向平衡體系中充入一定量的氦氣，平衡可能發生移動

C.恒溫恒容條件下，若改變反應物的投入量，△H的值不發生變化

D.恒溫恒容條件下，若投入氣體的總量保持不變，設起始投料比[n(H2)/n(CO2)]=X，當X=2或1/2時，H2O的體積分數不變。

(4)利用光能和光催化劑，可將CO2和H2O(g)轉化為CH4和O2。紫外線照射時，在不同催化劑(I、II、III)作用下，CH4產量隨光照時間的變化如下圖2所示，在0-15h內，對反應催化效果最好的催化劑是____________(填序號)。

(5)一種新利CO燃料電池工作原理如上圖3所示，該電池負極電極反應式為______________，電極A處產生的CO2有部分參與循環利用，其利用率為______________________。

Answer 1

【答案】 CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g)△H=-49.6kJ/mol > = < A C D II CO+CO32--2e-=2CO2 50%

【解析】(1)①2H2(g)+CO(g)CH3OH(g) △H=-90.8kJmol-1，②H2(g)+CO2(g)H2O(g)+CO(g) △H=+41.2kJmol-1，根據蓋斯定律，①+②可得：3H2(g)+CO2(g)CH3OH(g)+H2O(g) △H=-49.6kJ/mol，故答案為：3H2(g)+CO2(g)CH3OH(g)+H2O(g)△H=-49.6kJ/mol；

(2)①由300℃時，增大壓強，平衡正向移動，CH3OH的體積分數增大，所以P1＞P2，故答案為：＞；

②平衡常數與壓強無關，只與溫度有關，B、C、D溫度相等，則KB=KC=KD，故答案為：=；

③由A到B壓強增加，溫度升高，逆反應速率增加，故v逆(A)＜v逆(B)，故答案為：＜；

(3)對于反應②H2(g)+CO2(g) H2O(g)+ CO (g) △H=+41.2kJ/mol，在體積一定的密閉容器中加入一定量的H2和CO進行反應。

A.若該反應在恒容，絕熱的容器中進行，該反應前后氣體的物質的量不變，容器中氣體的壓強始終不變，但反應吸熱，隨著反應的進行，氣體的壓強逐漸減小，當保持不變時說明反應達到平衡狀態，正確；B.該反應達到平衡時，向平衡體系中充入一定量的氦氣，該反應前后氣體的物質的量不變，平衡不可能發生移動，錯誤；C.恒溫恒容條件下，△H的值不隨反應物的投入量變化而變化，正確；D. 根據H2(g)+CO2(g) H2O(g)+ CO (g) 可知，恒溫恒容條件下，若投入氣體的總量保持不變，設起始投料比[n(H2)/n(CO2)]=X，當X=2或1/2時，轉化的氫氣或二氧化碳的相等，生成的H2O相等，水的體積分數不變，正確；故選ACD；

(4)由圖可知，0-15小時內，相同時間內第Ⅱ種催化劑的作用下收集的CH4最多，反應催化效果最好的催化劑是Ⅱ，故答案為：Ⅱ；

(5)負極發生氧化反應，電極反應式為：CO-2e-+CO32-=2CO2，根據負極2CO+2CO32--4e-=4CO2，而正極反應為O2+4e-+2CO2═2CO32-，所以在轉移4mol電子相同的情況下負極產生4mol的二氧化碳，而正極消耗2mol的二氧化碳，所以利用率為50%，故答案為：CO-2e-+CO32-=2CO2；50%。