Question

【題目】甲酸在有機化工中有廣泛的用途，工業上可有多種途徑來制備甲酸。回答下列問題：

(1)利用光催化制甲酸原理如圖所示。

該裝置能量轉化方式為___。

(2)另一種以Ru化合物為催化劑，用H2和CO2制取甲酸的反應機理如下：

第一步：Ru(OH)2+2H2RuH2+2H2O 快速平衡

第二步：RuH2+2CO2→Ru(OOCH)2 慢反應(近似認為不影響第一步反應的平衡)

第三步：Ru(OOCH)2+2H2O→2HCOOH+Ru(OH)2 快反應

下列表述正確的是___ (填序號)。

A．平衡時v(第一步的逆反應)＞v(第二步反應)

B．反應的中間產物只有Ru(OOCH)2

C．第二步反應中RuH2與CO2的碰撞僅部分有效

D．第三步反應的活化能較低

(3)CO2加氫也可制備甲酸(HCOOH)。

①工業上利用甲酸的能量關系轉換圖如圖：

反應CO2(g)+H2(g) HCOOH(g)的焓變△H=___kJ·mol-1。

②溫度為T1℃時，將等物質的量的CO2和H2充入體積為1L的密閉容器中發生反應：CO2(g)+H2(g) HCOOH(g) K=2

實驗測得：v正=k正c(CO2)·c(H2)，v逆=k逆c(HCOOH)，k正、k逆為速率常數。T1℃時，k逆=___(以k正表示)。

③當溫度改變為T2℃時，k正=1.9k逆，則T2℃時平衡壓強___T1℃時平衡壓強(填“＞”“＜”或“=”)，理由是___。

(4)甲酸是唯一能和烯烴發生加成反應的羧酸，目前，科學家正在研究一種以乙烯作為還原劑的脫硝(NO)原理，其脫硝機理示意圖如圖1，脫硝率與溫度、負載率(分子篩中催化劑的質量分數)的關系如圖2所示。

①寫出該脫硝原理總反應的化學方程式：___。

②為達到最佳脫硝效果，應采取的條件是___。

(5)T℃，甲酸與醋酸鈉溶液反應：HCOOH+CH3COO- HCOO-+CH3COOH，該反應的平衡常數為12.5，則該溫度下醋酸的電離常數Ka(CH3COOH)=___(T℃時甲酸的電離常數為2×10-4)。

Answer 1

【答案】光能轉化為化學能和電能 ACD -31.4 0.5k正 ＞ CO2(g)+H2(g) HCOOH(g)為放熱反應，溫度升高，平衡常數減小，平衡左移，氣體的物質的量增加，總壓強增大；溫度升高，總壓強增大 6NO+3O2+2C2H43N2+4CO2+4H2O 350℃、負載率3.0% 1.6×10-5

【解析】

(1)根據圖示分析能量的轉化方式；

(2)根據第一步能夠快速平衡，第二步為慢反應，第三步反應為快反應，結合反應方程式和反應速率的影響因素分析判斷；

(3)①由圖示可知①HCOOH(g)CO (g)+H2O(g)△H=+72.6kJ/mol，②CO(g)+O2(g)=CO2(g)△H= -283.0kJ/mol，③H2(g)+ O2(g)=H2O(g)△H= -241.8kJ/mol，再利用蓋斯定律分析解答；②反應達到化學平衡時，有v正=v逆，根據速率方程和化學平衡常數表達式分析計算；③根據平衡常數的變化判斷平衡移動的方向結合溫度的變化分析解答；

(4)①根據圖1確定反應物、生成物，寫出反應方程式；②為達到最佳脫硝效果，需要滿足脫硝率高，負載率低，適宜的溫度選擇合適的條件；

(5)T℃，甲酸與醋酸鈉溶液反應：HCOOH+CH3COO-HCOO-+CH3COOH，該反應的平衡常數為12.5，即=12.5，則該溫度下醋酸的電離常數Ka(CH3COOH)=，據此分析計算。

(1)根據圖示，該裝置能量轉化方式為光能轉化為化學能和電能，故答案為：光能轉化為化學能和電能；

(2)A．第一步能夠快速平衡，第二步為慢反應，因此平衡時v(第一步的逆反應)＞v(第二步反應)，故A正確；B．根據反應原理，反應的中間產物只有Ru(OOCH)2、RuH2和H2O，故B錯誤；C．第二步反應為慢反應，說明反應中RuH2與CO2的碰撞僅部分有效，故C正確；D．第三步反應為快反應，說明反應的活化能較低，反應容易進行，故D正確；故答案為：ACD；

(3)由圖示可知①HCOOH(g)CO (g)+H2O(g)△H=+72.6kJ/mol，②CO(g)+O2(g)=CO2(g)△H=-283.0kJ/mol，③H2(g)+O2(g)=H2O(g)△H=-241.8kJ/mol，根據蓋斯定律，將①+②-③可得HCOOH(g)CO2 (g)+H2(g) 的焓變△H=(+72.6kJ/mol)+(-283.0kJ/mol)-(-241.8kJ/mol)=+31.4kJ/mol，則CO2(g)+H2(g) HCOOH(g)的焓變△H= -31.4kJ/mol，故答案為：-31.4；

②反應CO2(g)+H2(g) HCOOH(g)達到化學平衡時，有v正=v逆，即k正c(CO2)c(H2)=k逆c(HCOOH)，所以＝=2，所以k正=2k逆，即k逆=0.5k正，故答案為：0.5k正；

③當溫度改變為T2時，k正=1.9k逆，則K===1.9＜2，說明平衡逆向移動，氣體的物質的量增大，總壓強增大；該反應的正反應為放熱反應，溫度升高，平衡逆向移動，所以溫度T2＞T1，溫度升高，總壓強增大，故答案為：＞；CO2(g)+H2(g) HCOOH(g)為放熱反應，溫度升高，平衡常數減小，平衡左移，氣體的物質的量增加，總壓強增大；溫度升高，總壓強增大；

(4)①由圖1知，反應物為一氧化氮、氧氣、乙烯，銅為催化劑，生成物為氮氣、二氧化碳和水，反應的化學方程式為6NO+3O2+2C2H4 3N2+4CO2+4H2O，故答案為：6NO+3O2+2C2H4 3N2+4CO2+4H2O；

②為達到最佳脫硝效果，需要滿足脫硝率高，負載率低，適宜的溫度，由圖可知，合適的條件為350℃、負載率3%，故答案為：350℃、負載率3%；

(5)T℃，甲酸與醋酸鈉溶液反應：HCOOH+CH3COO- HCOO-+CH3COOH，該反應的平衡常數為12.5，即=12.5，則該溫度下醋酸的電離常數Ka(CH3COOH)= ==×=×2×10-4=1.6×10-5，故答案為：1.6×10-5。