Question

【題目】CO2和CH4是兩種重要的溫室氣體，通過CH4和CO2反應制造更高價值化學品是目前的研究目標。

(一)①己知：CH4(g)+2O2(g)=CO2(g)+2H2O(g) △H=－890.3kJ/mol，CO(g)+H2O(g)=CO2(g)+H2(g)△H=+2.8 kJ/mol，

2CO(g)+O2(g)=2CO2(g)△H=-566.0 kJ/mol，

反應CO2(g)+CH4(g)2CO(g)+2H2(g)的△H=_____。

②250℃時，以鎳合金為催化劑，向2L容器中通入6mol CO2、6mol CH4，發(fā)生如下反應：CO2(g)+CH4(g)2CO(g)+2H2(g)。2min后達到平衡，測得平衡體系中H2的體積分數(shù)為40％。此溫度下該反應的平衡常數(shù)K=______。2min內(nèi)CO2平均消耗速率為________。

(2)以二氧化鈦表面覆蓋Cu2Al2O4為催化劑，可以將CO2和CH4直接轉(zhuǎn)化成乙酸。

①在不同溫度下催化劑的催化效率與乙酸的生成速率如下圖所示。250～300℃時，乙酸的生成速率減小的原因是_________。

②為了提高該反應中CH4的轉(zhuǎn)化率，可能采取的措施是__________________。

③將Cu2Al2O4溶解在稀硝酸中的離子方程式為_____________________。

(3)第三代混合動力車，可以用電動機、內(nèi)燃機或二者結(jié)合推動車輪。汽車上坡或加速時，電動機提供動力，降低油耗；在剎車或下坡時，電池處于充電狀態(tài)。混合動力車目前一般使用鎳氫電池，該電池中鎳的化合物為正極，儲氫金屬(以M表示)為負極，堿液(主要為KOH溶液)為電解質(zhì)溶液。鎳氫電池充放電原理示意圖如下，其總反應式為H2+2NiOOHNi(OH)2。

根據(jù)所給信息判斷，混合動力車上坡或加速時，該電池處于________(選填“充電”或“放電”)，乙電極的電極反應式為_________。

Answer 1

【答案】+247.3 kJ/mol 256 1mol/(L·min) 催化劑的催化效率降低 增大反應壓強或增大CO2的濃度 3Cu2Al2O4+32H++2NO3-=6Cu2＋+6Al3++2NO↑+16H2O 放電 NiOOH+H2O+e-=Ni(OH)2+OH-

【解析】

(1)①根據(jù)蓋斯定律來解答；

②先利用物質(zhì)反應轉(zhuǎn)化關系計算出各種物質(zhì)的平衡濃度，帶入平衡常數(shù)表達式計算可得其數(shù)值，根據(jù)速率含義計算出CO2的反應速率；

(2)①根據(jù)溫度對催化劑活性的影響；

②根據(jù)外界條件對化學平衡的影響，平衡正向移動，反應物轉(zhuǎn)化率增大；

③先將Cu2Al2O4拆成氧化物的形式：Cu2OAl2O3，再根據(jù)氧化物與酸反應生成離子方程式，需要注意的是一價銅具有還原性；

(3)上坡或加速時，該裝置是原電池，根據(jù)圖知，乙是鎳的化合物為正極，正極上NiOOH得電子發(fā)生還原反應，據(jù)此書寫電極反應式。

(1)①CH4(g)+2O2(g)=CO2(g)+2H2O(g) △H=-890.3kJ/mol①

CO(g)+H2O(g)=CO2(g)+H2(g) △H=2.8kJ/mol ②

2CO(g)+O2(g)=2CO2(g) △H=-566.0kJ/mol ③

根據(jù)蓋斯定律，由①+②×2-③×2得，CO2(g)+CH4(g)2CO(g)+2H2(g) △H=-890.3kJ/mol+2.8kJ/mol×2+566.0kJ/mol×2=+247.3 kJ/mol；

②反應開始時，向2L容器中通入6mol CO2、6mol CH4，c(CO2)=c(CH4)=6mol÷2L=3mol/L，發(fā)生如下反應：CO2(g)+CH4(g)2CO(g)+2H2(g)。2min后達到平衡，測得平衡體系中H2的體積分數(shù)為40％。假設CO2轉(zhuǎn)化濃度為x，則同時會消耗CH4濃度為x，產(chǎn)生CO濃度為2x，產(chǎn)生H2濃度為2x，則平衡時各種物質(zhì)的濃度：c(CO2)=c(CH4)=(3-x)mol/L，c(CO)=c(H2)=2x，由于測得平衡體系中H2的體積分數(shù)為40％，所以=40%，解得x=2，所以此溫度下該反應的平衡常數(shù)K==256。2min內(nèi)CO2平均消耗速率為v(CO2)==1mol/(Lmin)；

(2)①溫度超過250℃時，催化劑的催化效率降低，所以溫度升高而乙酸的生成速率降低；

②增大反應壓強、增大CO2的濃度，平衡正向移動，反應物轉(zhuǎn)化率增大；

③Cu2Al2O4拆成氧化物的形式：Cu2OAl2O3，與酸反應生成離子方程式：3Cu2Al2O4+32H++2NO3-=6Cu2++6Al3++2NO↑+16H2O；

(3)上坡或加速時，該裝置是原電池，根據(jù)圖知，乙是鎳的化合物為正極，正極上NiOOH和水得電子生成氫氧化鎳和氫氧根離子，電極反應式為NiOOH+H2O+e-=Ni(OH)2+OH-，所以附近溶液中氫氧根離子濃度增大，溶液的pH值變大。