Question

【題目】研究煤的合理利用及CO2的綜合應用有著重要的意義。請回答以下問題：

Ⅰ.煤的氣化

已知煤的氣化過程涉及的基本化學反應有：

①C(s)+H2O(g)CO(g)+H2(g) ΔH=+131 kJ/mol

②CO(g)+3H2(g)CH4(g)+H2O(g) ΔH=a kJ/mol

查閱資料反應②中相關化學鍵鍵能數據如下表：

化學鍵	C≡O	H－H	H－C	H－O
E/(kJ/mol)	1072	436	414	465

(1)則反應②中a=______。

(2)煤直接甲烷化反應C(s)＋2H2 (g)CH4(g)的ΔH為______kJ/mol，該反應在______(填“高溫”或“低溫”)下自發進行。

Ⅱ.合成低碳烯烴

在體積為1 L的密閉容器中，充入1 mol CO2和2.5 mol H2，發生反應： 2CO2(g)＋6H2(g)C2H4(g)＋4H2O(g) ΔH=－128 kJ/mol，測得溫度對催化劑催化效率和CO2平衡轉化率的影響如右圖所示：

(3)圖中低溫時，隨著溫度升高催化劑的催化效率提高，但CO2的平衡轉化率卻反而降低，其原因是______。

(4)250℃時，該反應的平衡常數K值為______。

Ⅲ.合成甲醇

在恒溫2 L容積不變的密閉容器中，充入1 molCO2和3 molH2，發生反應：CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g) +H2O(g) ，測得不同時刻反應前后容器內壓強變化(p后/p前)如下表：

時間/h	1	2	3	4	5	6
p后/p前	0.90	0.85	0.82	0.81	0.80	0.80

(5)反應前1小時內的平均反應速率v(H2)為______mol/(L·h)，該溫度下CO2的平衡轉化率為______。

Ⅳ.電解逆轉化制乙醇

(6)科研人員通過反復實驗發現：CO2可以在酸性水溶液中電解生成乙醇，則生成乙醇的反應發生在______極(填“陰”或“陽”)，該電極的反應式為______。

Answer 1

【答案】-206 -75 低溫 該反應ΔH<0，溫度升高，平衡向逆反應方向移動，所以CO2的平衡轉化率降低 1 0.3 40% 陰 2CO2+12H++12e-=CH3CH2OH+3H2O

【解析】

(1)根據反應熱等于舊鍵斷裂吸收的能量與新鍵形成釋放的能量的差值計算；

(2)根據蓋斯定律分析解答；反應若自發進行，則△G=ΔH-TΔS<0；

(3)根據溫度對催化劑的催化活性和對化學平衡移動影響分析CO2轉化率的變化；

(4)利用化學平衡常數定義式計算；

(5)根據在恒容密閉容器內，氣體的壓強比等于氣體的物質的量的比，計算出H2物質的量的改變值，再根據速率的定義計算；同時利用變化關系計算出平衡時CO2改變的物質的量，利用物質的轉化率為質量除以起始量，計算出該溫度下CO2的平衡轉化率；

(6)根據陽極發生氧化反應，陰極發生還原反應，結合溶液的酸堿性書寫電極反應式。

(1)根據反應方程式CO(g)+3H2(g)CH4(g)+H2O(g) ΔH=a kJ/mol，可知ΔH=(1072+3×436-4×414-2×465)kJ/mol=-206kJ/mol；

(2)①+②，整理可得：C(s)＋2H2 (g)CH4(g)的ΔH=+131 kJ/mol-206kJ/mol=-75kJ/mol；該反應是氣體體積減小的放熱反應，根據體系的自由能公式△G=ΔH-TΔS，若反應自發進行，則△G=ΔH-TΔS<0，所以溫度較低時△G<0，反應自發進行；

(3)由圖分析可知在250℃時催化劑活性最大，在低于該溫度時，升高溫度，催化劑活性增強；而CO2的平衡轉化率卻隨溫度的升高反而降低，是由于該反應的正反應為放熱反應，升高溫度，化學平衡向吸熱的逆反應方向移動，使反應物CO2轉化率降低；

(4)在250℃時CO2轉化率為50%,根據起始時加入的物質的物質的量及反應2CO2(g)+6H2(g)C2H4(g)+4H2O(g)中各種物質的轉化關系可知，達到平衡時各種物質的平衡濃度分別為c(CO2)=0.5mol/L；c(H2)=1.0mol/L；c(C2H4)=0.25mol/L；c(H2O)=1.0mol/L，則該溫度下的化學平衡常數K=；

(5)化學反應：2CO2(g)+6H2(g)C2H4(g)+4H2O(g)

n(開始)/mol 1 3 0 0

1h△n/mol x 3x x x

△n(平衡)/mol y 3y y y

在1h時氣體的總物質的量n=(1-x)+(3-3x)+x+x=(4-2x)mol，開始時總物質的量為4mol，根據，解得x=0.2mol，所以H2改變的物質的量為3×0.2mol=0.6mol， v(H2)=mol/(Lh)；

在平衡時氣體的總物質的量n=(1-y)+(3-3y)+y+y=(4-2y)mol，開始時總物質的量為4mol，根據，解得y=0.4mol，所以CO的平衡轉化率=(0.4mol÷1mol)×100%=40%；

(6)CO2中的C化合價為+4價，乙醇CH3CH3OH中C的平均化合價為-2價，化合價降低，獲得電子，所以生成乙醇的反應發生在陰極，在酸性條件下，CO2在陰極獲得電子，變為乙醇，電極反應式為：2CO2+12H++12e-=CH3CH2OH+3H2O。