Question

【題目】低碳經濟成為人們一種新的生活理念，二氧化碳的捕捉和利用是一個重要研究方向， 既可變廢為寶，又可減少碳的排放。工業上可用CO2和H2制備被譽為“21世紀的清潔燃料”二甲醚(CH3OCH3)：

如在500℃時，在密閉容器中將煉焦中的CO2轉化為二甲醚，其相關反應為：

主反應I：2CO2 (g)+6H2(g)CH3OCH3(g)+3H2O(g) △H1

副反應II：CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g) △H2

(1)已知：①CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) △H=-90.1kJ/mol

②2CH3OH(g)CH3OCH3(g)+H2O(g) △H=-24.5kJ/mol

③CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g) △H= -41.0kJ/mol

則主反應I的△H1=______。

(2)在一定溫度下某密閉容器中按CO2和H2的濃度比為1：3投料進行反應，測得不同時間段部分物質的濃度如下表：

①10-20min 內，CH3OCH3的平均反應速率v(CH3OCH3)=_______。

②根據以上數據計算主反應I的平衡常數K=______(列式，代入數據，不計算結果)。

(3)欲提高CH3OCH3產率的關鍵的因素是選用合適的催化劑，其原因是_______。

(4)對于反應II，溫度對CO2的轉化率及催化劑的效率影響如圖所示：下列有關說法不正確的是_______。

A.其他條件不變，若不使用催化劑，則250℃時CO2的平衡轉化率可能位于Ml

B.溫度低于250°C時，隨溫度升高甲醇的產率增大

C.M點時平衡常數比N點時平衡常數大

D.實際反應應盡可能在較低的溫度下進行，以提高CO2的轉化

(5)利用太陽能電池將CO2轉化為乙烯、丙烯等有機化工原料，其工作原理如圖所示。則a為太陽能電池的_______極，寫M極上生成丙烯的電極反應式為_________。

Answer 1

【答案】-122.7kJ/mol 0.003mol/(L·min) 適的催化劑能大幅提高主反應速率，從而提高二甲醚的產率 ABD 負極 3CO2+18H++18e-=6H2O+CH3CH=CH2

【解析】

(1)根據蓋斯定律，將已知的三個熱化學方程式疊加，可得主反應I的熱化學方程式；

(2)①根據v=計算反應速率；

②根據平衡常數的含義計算該反應達到平衡時的化學平衡常數；

(3)根據催化劑的作用分析判斷；

(4)根據溫度、催化劑對化學反應速率、化學平衡移動的影響分析、判斷；

(5)根據電解池原理分析判斷，書寫電極反應式。

(1)①CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) △H=-90.1 kJ/mol

②2CH3OH(g)CH3OCH3(g)+H2O(g) △H=-24.5 kJ/mol

③CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g) △H= -41.0 kJ/mol

①×2+②-③×2，整理可得2CO2 (g)+6H2(g)CH3OCH3(g)+3H2O(g) △H1=-122.7 kJ/mol；

(2)結合表格數據，根據v=可知在10～20min 內，CH3OCH3的平均反應速率v(CH3OCH3)==0.003 mol/(L·min)；

②反應開始是c(H2)=1.00 mol，平衡時c(H2)=0.30 mol，反應反應消耗H2濃度為△c(H2)=(1.00-0.30) mol/L=0.70 mol/L，其中發生反應：2CO2(g)+6H2(g)CH3OCH3(g)+3H2O(g)，c(CH3OCH3)=0.10 mol/L，則c(H2O)=0.30 mol/L，反應消耗H2濃度為0.60mol/L，發生副反應CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+2H2O(g)消耗H2的非濃度是0.10mol/L，其產生的H2O的濃度是mol/L，所以平衡時水的濃度是c(H2O)=(0.30+)mol/L；按CO2和H2的濃度比為1：3投料，發生兩個反應時CO2和H2是按1：3關系反應，達到平衡時二者的物質的量濃度比也是1：3，反應達到平衡時c(CO2)=（-0.2+）=0.10 mol/L；故主反應I達到平衡時的化學平衡常數K=；

(3)有些物質對某一反應有催化作用，對其它反應可能無催化作用或催化效率很低，采用適當的催化劑能大幅提高主反應速率，減少副反應的發生，從而提高二甲醚的產率；

(4)A.催化劑不能影響平衡移動，只能改變反應速率，A錯誤；

B.溫度低于250℃時，隨溫度升高，平衡逆向移動，甲醇的產率減小，B錯誤；

C.升高溫度二氧化碳的平衡轉化率降低，則升溫平衡逆向移動，所以M點時化學平衡常數大于N點，C正確；

D.較低的溫度下進行反應，平衡正向進行，CO2的轉化率較高，但催化劑的活性、反應速率減小，不利于反應進行，D錯誤；

故合理選項是ABD；

(5)CO2在M電極得到電子，被還原產生丙烯，則M電極為陰極，與電源負極連接的電極為陰極，所以a電極為陰極，M電極的電極反應式為：3CO2+18H++18e-=6H2O+CH3CH=CH2。