Question

【題目】二氧化碳減排和再利用技術(shù)是促進(jìn)工業(yè)可持續(xù)發(fā)展和社會(huì)環(huán)保的重要措施。將工業(yè)廢氣中的二氧化碳轉(zhuǎn)化為甲醇，其原理是：

CO2(g)+3H2(g)H2O(g)+CH3OH(g) △H=-53.7kJ/mol

(1) 308K時(shí)，向2L密閉容器中通入0.04 mol CO2和0.08 mol H2，測得其壓強(qiáng)(p)隨時(shí)間(t)變化如圖1中曲線I所示。

①反應(yīng)開始至達(dá)平衡時(shí)，υ(H2)=________；該溫度下反應(yīng)的平衡常數(shù)為______mol-2·L2。

②若只改變某一條件，其他條件相同時(shí)，曲線變化為II，則改變的條件是____。

(2)還可以通過以下途徑實(shí)現(xiàn)CO2向CH3OH的轉(zhuǎn)化：

反應(yīng)I：CO2(g)+H2(g)H2O(g)+CO(g) △H<0

反應(yīng)Ⅱ：2H2(g)+CO(g)CH3OH(g) △H<0

反應(yīng)I和反應(yīng)Ⅱ的平衡常數(shù)K隨溫度T的變化如圖2所示。

①根據(jù)圖中數(shù)據(jù)分析可知，T1____T2（填“>”、“<”或“=”）；T2時(shí)CO2轉(zhuǎn)化為CH3OH的平衡常數(shù)K=_______；

②目前，許多國家采用CO2代替CO（以煤和天然氣為原料）生產(chǎn)CH3OH，其優(yōu)點(diǎn)是_________。

(3)用電解法可將CO2轉(zhuǎn)化為多種燃料，原理如圖3。銅電極上產(chǎn)生HCOOH的電極反應(yīng)式為_________。

Answer 1

【答案】0.006mol/(L·min) 104 加入催化劑 < 8 CO以煤和天然氣為原料，投資較高，且生產(chǎn)成本受煤和天然氣價(jià)格影響較大，CO2來源廣泛，它還是溫室氣體，可以解決環(huán)境污染 CO2+2e-+2H+=HCOOH

【解析】

(1)①開始時(shí)混合氣體總物質(zhì)的量=(0.04+0.08)mol=0.12mol，恒溫恒容條件下，氣體物質(zhì)的量之比等于壓強(qiáng)之比，則平衡時(shí)混合氣體總物質(zhì)的量=×0.12mol=0.08mol，根據(jù)方程式知，如果有3mol氫氣完全反應(yīng)，則混合氣體物質(zhì)的量減少2mol，則混合氣體減少(0.12-0.08)mol=0.04mol，則消耗n(H2)=×0.04mol=0.06mol，反應(yīng)開始至達(dá)平衡時(shí)，υ(H2)=計(jì)算；

利用化學(xué)平衡常數(shù)的含義計(jì)算可逆反應(yīng)CO2(g)+3H2(g)H2O(g)+CH3OH(g)的化學(xué)平衡常數(shù)；

②改變條件時(shí)只縮短了反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)間，但是平衡時(shí)壓強(qiáng)不變；

(2)①I、II的正反應(yīng)都是放熱反應(yīng)，升高溫度平衡逆向移動(dòng)，化學(xué)平衡常數(shù)減小；

反應(yīng)Ⅰ：CO2(g)+H2(g)H2O(g)+CO(g)△H＜0

反應(yīng)Ⅱ：2H2(g)+CO(g)CH3OH(g) △H＜0

將方程式I+II可得相應(yīng)反應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù)K與這兩個(gè)已知反應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù)的關(guān)系；

②CO需要煤和天然氣制取，且生產(chǎn)成本受原料價(jià)格影響；二氧化碳是溫室氣體，還能解決溫室效應(yīng)；

(3)根據(jù)圖知，Cu作陰極，陰極上二氧化碳得電子和氫離子反應(yīng)生成HCOOH。

(1)①開始時(shí)混合氣體總物質(zhì)的量=(0.04+0.08)mol=0.12mol，恒溫恒容條件下，氣體物質(zhì)的量之比等于壓強(qiáng)之比，則平衡時(shí)混合氣體總物質(zhì)的量=×0.12mol=0.08mol，根據(jù)方程式知，如果有3mol氫氣完全反應(yīng)，則混合氣體物質(zhì)的量減少2mol，則混合氣體減少(0.12-0.08)mol=0.04mol，則消耗n(H2)=×0.04mol=0.06mol，反應(yīng)開始至達(dá)平衡時(shí)，υ(H2)==0.006mol/(L·min)；

可逆反應(yīng)CO2(g) + 3H2(g)H2O(g)+CH3OH(g)

開始(mol)0.04 0.08 0 0

消耗(mol)0.02 0.06 0.02 0.02

平衡(mol)0.02 0.02 0.02 0.02

化學(xué)平衡常數(shù)K==104L2/mol2；

②改變條件時(shí)只縮短了反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)間，但是平衡時(shí)壓強(qiáng)不變，催化劑只改變化學(xué)反應(yīng)速率不影響平衡移動(dòng)，所以改變的條件是加入催化劑；

(2)①I、II的正反應(yīng)都是放熱反應(yīng)，升高溫度平衡逆向移動(dòng)，化學(xué)平衡常數(shù)減小，根據(jù)圖知，從左向右化學(xué)平衡常數(shù)依次減小說明溫度依次升高，所以T1<T2；

反應(yīng)Ⅰ：CO2(g)+H2(g)H2O(g)+CO(g)△H＜0

反應(yīng)Ⅱ：2H2(g)+CO(g)CH3OH(g)△H＜0

將方程式I+II得CO2(g)+3H2(g)H2O(g)+CH3OH(g)，化學(xué)平衡常數(shù)K=K1·K2=4×2=8；

②CO需要煤和天然氣制取，投資較高，且生產(chǎn)成本受煤和天然氣價(jià)格影響較大；二氧化碳來源廣泛，且是溫室氣體，還能解決溫室效應(yīng)，所以用二氧化碳較好；

(3)根據(jù)圖知，Cu作陰極，在陰極上CO2得電子和氫離子反應(yīng)生成HCOOH，電極反應(yīng)式為CO2+2e-+2H+=HCOOH。