Question

【題目】如圖所示的過程是目前直接利用太陽能的研究熱點。人們把通過人工光化學手段合成燃料的過程叫做人工光合作用。

(1)在上圖構想的物質和能量循環中太陽能最終轉化為____________能。

(2)人工光合作用的途徑之一就是在催化劑和光照條件下，將CO2和H2O轉化為CH3OH，該反應的化學方程式為：2CO2(g)+4H2O(g)2CH3OH(g)+3O2(g)。

一定條件下，在2 L密閉容器中進行上述反應，測得n(CH3OH)隨時間的變化如表所示：

時間/min	0	1	2	3	4	5	6
n(CH3OH)/mol	0.000	0.040	0.070	0.090	0.100	0.100	0.100

①用CH3OH表示0～3 min內該反應的平均反應速率為______________________。

②能說明該反應已達到平衡狀態的是_______________。

a．v正(H2O)=2v逆(CO2) b．n(CH3OH）：n(O2)=2：3

c．容器內密度保持不變 d．容器內壓強保持不變

(3)我國科學家用Fe3(CO)12/ZSM-5催化CO2加氫合成低碳烯烴反應，所得產物含CH4、C3H6、C4H8等副產物，反應過程如圖。

催化劑中添加Na、K、Cu助劑后（助劑也起催化作用）可改變反應的選擇性，在其他條件相同時，添加不同助劑，經過相同時間后測得CO2轉化率和各產物的物質的量分數如表。

①欲提高單位時間內乙烯的產量，在Fe3(CO)12/ZSM-5中添加____________助劑效果最好；

②加入助劑能提高單位時間內乙烯產量的根本原因是____________。

(4)用人工光合作用得到的甲醇、氧氣和稀硫酸制作電池，則甲醇應通入該電池的____極(填“正”或“負”)，溶液中的H+流向該電池的____極(填“正”或“負”)通入氧氣的一極的電極反應式為_______________。

Answer 1

【答案】熱 0.015 mol/(Lmin) ad K 加快乙烯生成速率，而對其他副反應幾乎無影響 負 正 O2+4H++4e-=2H2O

【解析】

(1)光合作用下生成燃料，燃料燃燒釋放出能量；

(2)①根據表中數據可知，5 min后達到平衡狀態，甲醇的物質的量為0.100 mol，利用3 min時甲醇的物質的量，結合容器的容積計算其物質的量的濃度，再根據v= 計算用甲醇表示0～3 min內該反應的平均反應速率；

②可逆反應達到平衡時，正、逆反應速率相等，各物質的濃度、含量不變，甲醇判斷；

(3)①結合圖表數據分析三種助劑對CO2轉化率和乙烯在產物中的百分比分析；

②根據助劑起催化作用，結合催化劑在反應中的作用分析；

(4)該原電池中，通入燃料甲醇的電極是負極、通入氧氣的電極是正極；甲醇失去電子生成二氧化碳氣體，氧氣得到電子與溶液中H+結合形成水；溶液中陽離子向正極定向移動，陰離子向負極定向移動。

(1)由據圖可知，太陽能首先轉化為化學能，然后再由化學能轉化為熱能，故太陽能最終能量轉化形式為熱能；

(2)①根據表中數據可知，3 min時甲醇的物質的量為0.09 mol，由于容器的容積是2 L，反應時間是3 min，故用甲醇表示的反應速率v(CH3OH)==0.015 mol/(Lmin)；

②a．v正(H2O)=2v逆(CO2) 可說明正、逆反應速率相等，達到平衡狀態，a正確；

b．在任何條件下都存在關系n(CH3OH）：n(O2)=2：3，因此無法判斷各組分的濃度是否繼續變化，則無法判斷是否達到平衡狀態，b錯誤；

c．因氣體的體積以及質量不變，則容器內密度保持不變，不能用于判斷是否達到平衡狀態，c錯誤；

d．反應前后氣體的體積不等，容器內壓強為變量，但容器內壓強保持不變，可說明達到平衡狀態，d正確；

故合理選項是ad；

(3)①結合圖表數據分析可知加鈉時CO2轉化率最大，但乙烯在產物中百分比太低，副產物過多，加銅時乙烯在產物中的百分比最大，但CO2轉化率卻太低，綜合考慮加K時轉化率不算低，同時乙烯在產物中的百分比較高。故欲提高單位時間內乙烯的產量，在Fe3(CO)12/ZSM-5中添加K助劑效果最好；

②助劑本身也起催化作用，而催化劑在反應過程中可以降低反應的活化能，從而加快反應速率，因此助劑可以起到降低生成乙烯的反應所需要的活化能，加快乙烯生成速率，而對其他副反應幾乎無影響；

(4)在反應中甲醇被氧化，故通入甲醇的電極應為電池的負極，正極上氧氣得到電子發生還原反應，則通入氧氣的一極為正極，氧氣被還原生成水，正極的電極反應式為：O2+4H++4e-=2H2O。根據同種電荷相互排斥，異種電荷相互吸引的原則，溶液中的H+向負電荷較高的正極定向移動。