Question

【題目】CO2是一種廉價的碳資源，其綜合利用具有重要意義。回答下列問題：

(1)CO2可以被NaOH溶液捕獲。若所得溶液pH=13，CO2主要轉化為__________(寫離子符號)；若所得溶液pH=10，溶液中c(HCO3-)∶c(CO32-)__________。(室溫下，H2CO3的K1=4×10-7；K2=5×10-11）

(2)CO2與CH4經催化重整不僅可以制得合成氣，還對溫室氣體的減排具有重要意義。催化重整反應為：CH4(g)+CO2(g) 2CO(g)+2H2(g)。

已知：C(s)+2H2(g)=CH4(s) △H=-75kJ·mol-1

C(s)+O2(g)=CO2(s) △H=-394kJ·mol-1

C(s)+ O2(g)=CO(s) △H=-111kJ·mol-1

①該催化重整反應的△H=__________。有利于提高CH4平衡轉化率的條件是__________(填標號)。

A 低溫低壓 B 低溫高壓 C 高溫低壓 D 高溫高壓

某溫度下，在體積為2L的容器中加入2mol CH4、1molCO2以及催化劑進行重整反應，達到平衡時CO2的轉化率是50％，其平衡常數為__________mol2·L-2。

②反應中催化劑活性會因積碳反應而降低，同時存在的消碳反應則使積碳量減少。相關數據如下表：

		積碳反應 CH4(g)= C(s)+ 2H2(g)	消碳反應 CO2(g)+C(s)=2CO(g)
△H/kJ·mol-1		75	172
活化能/kJ·mol-1	催化劑X	33	91
	催化劑Y	43	72

由上表判斷，催化劑X__________Y(填“優于”或“劣于”)，理由是：__________________。

(3)在固態金屬氧化物電解池中，高溫共電解H2O-CO2混合氣體制備H2和CO是一種新的能源利用方式，基本原理如圖所示：

①X是電源的__________極(填“正”或“負”)。

②陰極的電極反應式是：H2O+2e-=H2+O2- 、CO2+2e-=CO+O2-

則總反應可表示為__________。

Answer 1

【答案】 +247kJ/mol C 劣于 相對于催化劑X，催化劑Y積碳反應的活化能大，積碳反應的速率小，催化劑Y消碳反應活化能相對小，消碳反應速率大，因此催化劑X較催化劑Y更利于積碳反應，不利于消碳反應，會降低催化劑活性 負 H2O+CO2H2+CO+O2

【解析】

(1)根據K2=結合溶液的pH分析解答；

(2)①根據蓋斯定律分析計算△H；要提高CH4平衡轉化率應該使平衡正向移動，但是不能通過增大甲烷濃度實現；達到平衡時CO2的轉化率是50%，根據方程式知，參加反應的n(CO2)=n(CH4)=1mol×50%=0.5mol，生成的n(CO)=n(H2)=1mol，根據三段式分析解答化學平衡常數；

②消碳反應越容易發生，催化劑活性越好，消碳反應所需活化能越低，消碳反應越容易進行；

(3)①電解池陽極發生氧化反應，陰極發生還原反應，根據與X極相連的電極產生的氣體判斷；

②電解H2O-CO2混合氣體制備H2和CO，根據圖示知：陰極產生H2、CO，陽極產生氧氣，據此書寫總反應方程式。

(1)K2==5×10-11，當c(HCO3-)=c(CO32-)，c(H+)=5×10-11，pH=10.3，如果溶液的pH=13，則c(HCO3-)遠遠小于c(CO32-)，CO2主要轉化為CO32-；若所得溶液pH=10，c(H+)=1×10-10，則c(HCO3-)＞c(CO32-)，K2===5×10-11，解得=，故答案為：CO32-；；

(2)①C(s)+2H2(g)═CH4(g)△H=-75kJmol-1，②C(s)+O2(g)=CO2(g) △H=-394kJmol-1，③C(s)+O2(g)=CO(g)△H=-111kJmol-1，根據蓋斯定律，將方程式2×③-①-②得CH4(g)+CO2(g)═2CO(g)+2H2(g)，△H=2×(-111kJmol-1)-(-75kJmol-1)-(-394kJmol-1)=+247kJ/mol；要提高CH4平衡轉化率應該使平衡正向移動，但是不能通過增大甲烷濃度實現，該反應的正反應是一個反應前后氣體體積增加的吸熱反應，升高溫度、減小壓強能使平衡正向移動，增大甲烷轉化率，故選C；達到平衡時CO2的轉化率是50%，根據方程式知，參加反應的n(CO2)=n(CH4)=1mol×50%=0.5mol，生成的n(CO)=n(H2)=1mol，

該化學反應 CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g)

開始(mol/L) 1 0.5 0 0

反應(mol/L)0.25 0.25 0.5 0.5

平衡(mol/L)0.75 0.25 0.5 0.5

化學平衡常數K===，故答案為：+247；C；；

②根據表中數據知，相對于催化劑X，催化劑Y積碳反應的活化能大，積碳反應的速率小，催化劑Y消碳反應活化能相對小，消碳反應速率大，因此催化劑X較催化劑Y更利于積碳反應，不利于消碳反應，會降低催化劑活性，故答案為：劣于；相對于催化劑X，催化劑Y積碳反應的活化能大，積碳反應的速率小，催化劑Y消碳反應活化能相對小，消碳反應速率大，因此催化劑X較催化劑Y更利于積碳反應，不利于消碳反應，會降低催化劑活性；

(3)①根據圖示知：與X相連的電極產生CO，電解H2O-CO2混合氣體，二氧化碳得到電子生成一氧化碳，發生還原反應，電解池陰極發生還原反應，所以X是電源的負極，故答案為：負；

②電解池陰極發生還原反應，電解H2O-CO2混合氣體制備H2和CO，陰極：水中的氫原子得到電子生成氫氣，H2O+2e-═H2↑+O2-，二氧化碳得到電子生成一氧化碳，CO2+2e-═CO+O2-，電解H2O-CO2混合氣體制備H2和CO，根據圖示知：陰極產生H2、CO，陽極產生氧氣，所以總反應為：H2O+CO2H2+CO+O2，故答案為：H2O+CO2H2+CO+O2。