Question

【題目】CO2的資源化利用能有效減少CO2排放，充分利用碳資源。

（1）CO2與CH4經(jīng)催化重整，制得合成氣：CH4(g)＋CO2(g)2CO(g)＋2H2(g)

已知：C(s)+2H2(g)=CH4(g) ΔH=－75 kJ·mol1

C(s)+O2(g)=CO2(g) ΔH=－394 kJ·mol1

C(s)+O2(g)===CO(g) ΔH=－111 kJ·mol1

①該催化重整反應(yīng)的ΔH=____ kJ·mol1。有利于提高CH4平衡轉(zhuǎn)化率的條件是____（填標(biāo)號(hào)）。

A．高溫低壓 B．低溫高壓 C．高溫高壓 D．低溫低壓

②某溫度下，在體積為2 L的容器中加入2 mol CH4、1 mol CO2以及催化劑進(jìn)行重整反應(yīng)，達(dá)到平衡時(shí)CO2的轉(zhuǎn)化率是50%，其平衡常數(shù)為______mol2·L2。下列可判斷該反應(yīng)達(dá)到平衡的是_________（填標(biāo)號(hào)）。

A．單位時(shí)間內(nèi)生成n mol的CH4，同時(shí)生成n mol的H2 B．v(CH4):v(CO)=1:2

C．容器中混合氣體的密度不再發(fā)生變化 D．容器中的壓強(qiáng)保持不變

（2）CO2可以被(NH4)2CO3溶液捕獲，反應(yīng)為(NH4)2CO3(aq)＋H2O(l)＋CO2(g)=2NH4HCO3(aq)　ΔH。為研究溫度對(duì)(NH4)2CO3捕獲CO2效率的影響，在某溫度T1下，將一定量的(NH4)2CO3溶液置于密閉容器中，并充入一定量的CO2氣體(用氮?dú)庾鳛橄♂寗?/span>)，在t時(shí)刻，測(cè)得容器中CO2氣體的濃度。然后分別在溫度為T2、T3、T4、T5下，保持其他初始實(shí)驗(yàn)條件不變，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過(guò)相同時(shí)間測(cè)得CO2氣體濃度，其關(guān)系如圖1，則ΔH______(填“>”、“＝”或“<”)0。

（3）O2輔助的Al-CO2電池工作原理如圖2所示。該電池電容量大，能有效利用CO2，電池反應(yīng)產(chǎn)物Al2(C2O4)3是重要的化工原料。

電池的負(fù)極反應(yīng)式：________________________________。

電池的正極反應(yīng)式：6O2＋6e－=6O；6CO2＋6O=3C2O42-＋6O2

反應(yīng)過(guò)程中O2的作用是_________________。

（4）CO2可以被NaOH溶液捕獲。若所得溶液c(HCO3-)：c(CO32-) ＝ 2∶1，溶液pH＝________。(室溫下，H2CO3的K1＝4×10－7；K2＝5×10－11)

Answer 1

【答案】+247或247 A 或0.33 D < Al－3e－=Al3＋(或2Al－6e－=2Al3＋) 催化劑 10

【解析】

（1）①已知：a.C(s)+2H2(g)=CH4(g) ΔH=－75 kJ·mol1

b.C(s)+O2(g)=CO2(g) ΔH=－394 kJ·mol1

c.C(s)+O2(g)=CO(g) ΔH=－111 kJ·mol1

將方程式2c-a-b得CH4（g）+CO2（g）═2CO（g）+2H2（g），△H=2×（-111kJ·mol－1）-（-75kJ·mol－1）-（-394kJ·mol－1）=+247kJ·mol－1；

要提高CH4平衡轉(zhuǎn)化率應(yīng)該使平衡正向移動(dòng)，但是不能通過(guò)增大甲烷濃度實(shí)現(xiàn)，該反應(yīng)的正反應(yīng)是一個(gè)反應(yīng)前后氣體體積增加的吸熱反應(yīng)，升高溫度、減小壓強(qiáng)能使平衡正向移動(dòng)，增大甲烷轉(zhuǎn)化率，故選A；

②達(dá)到平衡時(shí)CO2的轉(zhuǎn)化率是50%，根據(jù)方程式知，參加反應(yīng)的n（CO2）=n（CH4）=1mol×50%=0.5mol，生成的n（CO）=n（H2）=1mol，

CH4（g）+CO2（g）═2CO（g）+2H2（g），

開(kāi)始（mol·L－1） 1 0.5 0 0

反應(yīng)（mol·L－1） 0.25 0.25 0.5 0.5

平衡（mol·L－1） 0.75 0.25 0.5 0.5

化學(xué)平衡常數(shù)K== =1/3；

A．單位時(shí)間內(nèi)生成n mol的CH4，同時(shí)生成n mol的H2 ，正逆反應(yīng)速率不相等，反應(yīng)未達(dá)到平衡，故A錯(cuò)誤；

B．v(CH4):v(CO)=1:2，無(wú)法確定正逆速率是否相等，故B錯(cuò)誤；

C．反應(yīng)物和生成物均為氣體且為恒容容器，容器中氣體的密度始終不變，則容器中混合氣體的密度不再發(fā)生變化，不能用于判斷是否達(dá)到平衡狀態(tài)，故C錯(cuò)誤；

D．反應(yīng)前后體積不等，容器中的壓強(qiáng)保持不變，能用于判斷是否達(dá)到平衡狀態(tài)，故D正確；

故選D。

（2）從c（CO2）的變化趨勢(shì)可知，開(kāi)始時(shí)減小是沒(méi)達(dá)到平衡，拐點(diǎn)是平衡點(diǎn)，拐點(diǎn)后隨溫度的升高c（CO2）增大，說(shuō)明平衡向逆向移動(dòng)，正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，則△H＜0；

（3）該原電池中Al作負(fù)極，失電子生成鋁離子，電極反應(yīng)式為Al-3e－=Al3＋；在正極的反應(yīng)式中，氧氣在第一個(gè)反應(yīng)中作反應(yīng)物、在第二個(gè)反應(yīng)中作生成物，所以氧氣在反應(yīng)中作催化劑；

（4）K2=c(CO32－)c(H＋)/c(HCO3－)=5×10-11，且所得溶液c（HCO3－）：c（CO32－）=2：1，c（H＋）=K2·c(HCO3－)/c(CO32－)=5×10-11×2=1×10-10，pH=10。