Question

【題目】資源化利用能有效減少碳排放，充分利用碳資源。

(1)光電催化實現(xiàn)資源化利用的原理如圖：

①寫出陰極還原為的電極反應(yīng)式：___________。

②與直接電解法相比，生成等量的時，光電催化法消耗的電能更少。其原因是___________。

(2)催化加氫合成二甲醚過程中主要發(fā)生下列反應(yīng)：

反應(yīng)Ⅰ：

反應(yīng)Ⅱ：

①反應(yīng)Ⅰ中的平衡轉(zhuǎn)化率隨溫度升高而增大的原因是__________。

②在恒壓、和的起始量一定的條件下，平衡轉(zhuǎn)化率和平衡時的選擇性(的選擇性)隨溫度的變化如圖：

T℃時，起始投入，，達(dá)到平衡時反應(yīng)Ⅰ理論上消耗的物質(zhì)的量為_______。該催化劑條件下合成二甲醚時較適宜的溫度為260℃，其原因是______________。

(3)研究發(fā)現(xiàn)，(2)中的反應(yīng)Ⅱ分兩步完成，即發(fā)生反應(yīng)Ⅲ和Ⅳ。

反應(yīng)Ⅲ：

反應(yīng)Ⅳ：

①反應(yīng)Ⅳ的____

②其他條件相同時，若兩容器中分別僅發(fā)生反應(yīng)Ⅱ和反應(yīng)Ⅲ，測得反應(yīng)Ⅱ中的平衡轉(zhuǎn)化率更高，其原因可能是__________。

Answer 1

【答案】 光電催化法利用太陽能，減少電能消耗 反應(yīng)Ⅰ的正反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，升高溫度，平衡向正反應(yīng)方向移動 0.2mol 溫度過低，反應(yīng)速率太慢；溫度過高，選擇性過大，二甲醚的選擇性減小 反應(yīng)Ⅱ分為反應(yīng)Ⅲ和Ⅳ兩步完成，反應(yīng)Ⅲ生成的被反應(yīng)Ⅳ消耗掉，使反應(yīng)Ⅲ的平衡向正反應(yīng)方向移動，提高了的轉(zhuǎn)化率

【解析】

（1）該裝置為電解池，由圖可知，陽極為H2O發(fā)生氧化反應(yīng)生成O2、H+，H+通過離子交換膜進(jìn)入陰極，陰極為CO2與H+反應(yīng)生成CH3OH；

①陰極發(fā)生反應(yīng)為：；

②直接電解時，裝置中主要是電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，而光電催化裝置中主要為電能和太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，因此電能消耗更少；

（2）①反應(yīng)Ⅰ的正反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，升高溫度，平衡向正反應(yīng)方向移動，因此CO2的轉(zhuǎn)化率上升；

②由圖可知，平衡時CO2的轉(zhuǎn)化率為40%，其轉(zhuǎn)化量n(CO2)=2×40%mol=0.8mol，由CO的選擇性可計算出n(CO)=0.8mol×25%=0.2mol，因此反應(yīng)Ⅰ理論上消耗H2的物質(zhì)的量為0.2mol；溫度過低，反應(yīng)速率太慢；溫度過高，CO選擇性過大，二甲醚的選擇性減小，不利于二甲醚的合成；

（3）①由蓋斯定律可知：反應(yīng)Ⅲ×2+反應(yīng)Ⅳ得反應(yīng)Ⅱ，即(-49kJ/mol)×2+ΔH=-122.5 kJ/mol，解得ΔH=-24.5 kJ/mol；

②反應(yīng)Ⅱ分為反應(yīng)Ⅲ和Ⅳ兩步完成，反應(yīng)Ⅲ生成的CH3OH被反應(yīng)Ⅳ消耗掉，使反應(yīng)Ⅲ的平衡向正反應(yīng)方向移動，提高了CO2的轉(zhuǎn)化率。