Question

【題目】CO2甲烷化是一種實(shí)現(xiàn)CO2資源化利用的有效途徑。

Ⅰ．熱化學(xué)轉(zhuǎn)化

CO2甲烷化過程發(fā)生反應(yīng)：CO2(g)+4H2(g) CH4(g)+2H2O(g)ΔH

(1)每生成1mol CH4(g)，放熱165 kJ，則ΔH＝______。

(2)反應(yīng)的平衡常數(shù)的表達(dá)式：K＝______。溫度升高，K______(填“增大”或“減小”)。

(3)其他條件不變時(shí)，一段時(shí)間內(nèi)，壓強(qiáng)對(duì)CO2的轉(zhuǎn)化率及CH4的選擇性的影響如下圖。

注：選擇性＝轉(zhuǎn)化為目標(biāo)產(chǎn)物的原料量÷原料總的轉(zhuǎn)化量

CO2甲烷化反應(yīng)選擇0.1MPa而不選擇更高壓強(qiáng)的原因是______。

Ⅱ．電化學(xué)轉(zhuǎn)化

多晶Cu可高效催化CO2甲烷化，電解CO2制備CH4的原理示意圖如下。電解過程中溫度控制在10℃左右，持續(xù)通入CO2。陰、陽極室的KHCO3溶液的濃度基本保持不變。

(4)多晶Cu作______(填“陰”或“陽”)極。

(5)結(jié)合電極反應(yīng)式，說明陰極室KHCO3溶液濃度基本不變的原因：______。

(6)上述電解過程中采取了______措施(寫2條即可)使CO2優(yōu)先于H+放電。

Answer 1

【答案】－165 kJ·mol1 c(CH4)c2(H2O)/[c(CO2)c4(H2)] 減小 在0.1MPa，CO2的轉(zhuǎn)化率及CH4的選擇性較高，加壓CO2的轉(zhuǎn)化率及CH4的選擇性變化不大，且加壓會(huì)增大投資和能耗 陰 陰極發(fā)生反應(yīng)：9CO2+8e+6H2O ==CH4+8HCO3，每轉(zhuǎn)移8 mol電子，陰極生成8 mol HCO3，又有8 molHCO3通過陰離子交換膜進(jìn)入陽極室，且K+的濃度不變，所以陰極室的KHCO3濃度基本保持不變 以pH≈8的KHCO3溶液為電解液；溫度控制在10℃左右；持續(xù)通入CO2；用多晶銅作陰極等

【解析】

(1)根據(jù)反應(yīng)放熱分析解答；

(2)發(fā)生的反應(yīng)為CO2(g)+4H2(g) CH4(g)+2H2O(g)ΔH=－165 kJ·mol1，據(jù)此書寫平衡常數(shù)的表達(dá)式，結(jié)合影響化學(xué)平衡的元素分析判斷；

(3)根據(jù)圖像，壓強(qiáng)大于0.1MPa，CO2的轉(zhuǎn)化率幾乎不變，CH4的選擇性增加很少，結(jié)合生產(chǎn)成本分析解答；

(4)多晶銅電極區(qū)，二氧化碳轉(zhuǎn)化為甲烷，根據(jù)發(fā)生的反應(yīng)的類型分析解答；

(5)結(jié)合陰極反應(yīng)式和陰離子交換膜的作用分析解答；

(6)可以從我的對(duì)氣體的溶解度、陰離子交換膜的作用等角度分析解答。

(1)方程式中CH4的系數(shù)=1，反應(yīng)放熱，因此方程式對(duì)應(yīng)的ΔH＝－165 kJ·mol1，故答案為：－165 kJ·mol1；

(2)CO2(g)+4H2(g) CH4(g)+2H2O(g)ΔH=－165 kJ·mol1，平衡常數(shù)K=；該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，溫度升高，平衡逆向移動(dòng)，平衡常數(shù)K減小，故答案為：；減小；

(3)根據(jù)圖像，壓強(qiáng)大于0.1MPa，CO2的轉(zhuǎn)化率幾乎不變，CH4的選擇性增加很少，為節(jié)約成本，應(yīng)該選擇0.1MPa，故答案為：在0.1MPa，CO2的轉(zhuǎn)化率及CH4的選擇性較高，加壓CO2的轉(zhuǎn)化率及CH4的選擇性變化不大，且加壓會(huì)增大投資和能耗；

(4)多晶銅電極區(qū)，二氧化碳轉(zhuǎn)化為甲烷，C元素的化合價(jià)降低，得到電子，發(fā)生還原反應(yīng)，因此銅為陰極，故答案為：陰；

(5)陰極反應(yīng)式9CO2+8e+6H2O =CH4+8HCO3，陰極生成HCO3，電路中每轉(zhuǎn)移8 mol電子，陰極生成8 mol HCO3，同時(shí)有8 molHCO3通過陰離子交換膜進(jìn)入陽極室，且K+的濃度不變，所以陰極室的HCO3濃度基本保持不變，故答案為：陰極反應(yīng)式9CO2+8e+6H2O =CH4+8HCO3，每轉(zhuǎn)移8 mol電子，陰極生成8 mol HCO3，又有8 molHCO3通過陰離子交換膜進(jìn)入陽極室，且K+的濃度不變，所以陰極室的KHCO3濃度基本保持不變；

(6)①降低溫度，能夠提高氣體在水中的溶解度，提高水中二氧化碳的濃度，從而提高二氧化碳的氧化性，有利于二氧化碳放電；②采取陰離子交換膜，陽極區(qū)中氫氧根放電，氫離子濃度增大，能夠防止陽極區(qū)生成的氫離子移向陰極，可以防止陰極區(qū)氫離子濃度增大，使CO2優(yōu)先于H+放電；③將溶液調(diào)節(jié)成堿性，降低陰極區(qū)氫離子濃度，降低氫離子氧化性，通過二氧化碳的氧化性，有利于二氧化碳放電，故答案為：以pH≈8的KHCO3溶液為電解液；溫度控制在10℃左右；持續(xù)通入CO2；用多晶銅作陰極等。