Question

【題目】如圖所示的過程是目前直接利用太陽能的研究熱點(diǎn)。人們把通過人工光化學(xué)手段合成燃料的過程叫做人工光合作用。

(1)在上圖構(gòu)想的物質(zhì)和能量循環(huán)中太陽能最終轉(zhuǎn)化為____________能。

(2)人工光合作用的途徑之一就是在催化劑和光照條件下，將CO2和H2O轉(zhuǎn)化為CH3OH，該反應(yīng)的化學(xué)方程式為：2CO2(g)+4H2O(g)2CH3OH(g)+3O2(g)。

一定條件下，在2 L密閉容器中進(jìn)行上述反應(yīng)，測得n(CH3OH)隨時(shí)間的變化如表所示：

時(shí)間/min	0	1	2	3	4	5	6
n(CH3OH)/mol	0.000	0.040	0.070	0.090	0.100	0.100	0.100

①用CH3OH表示0～3 min內(nèi)該反應(yīng)的平均反應(yīng)速率為______________________。

②能說明該反應(yīng)已達(dá)到平衡狀態(tài)的是_______________。

a．v正(H2O)=2v逆(CO2) b．n(CH3OH）：n(O2)=2：3

c．容器內(nèi)密度保持不變 d．容器內(nèi)壓強(qiáng)保持不變

(3)我國科學(xué)家用Fe3(CO)12/ZSM-5催化CO2加氫合成低碳烯烴反應(yīng)，所得產(chǎn)物含CH4、C3H6、C4H8等副產(chǎn)物，反應(yīng)過程如圖。

催化劑中添加Na、K、Cu助劑后（助劑也起催化作用）可改變反應(yīng)的選擇性，在其他條件相同時(shí)，添加不同助劑，經(jīng)過相同時(shí)間后測得CO2轉(zhuǎn)化率和各產(chǎn)物的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)如表。

①欲提高單位時(shí)間內(nèi)乙烯的產(chǎn)量，在Fe3(CO)12/ZSM-5中添加____________助劑效果最好；

②加入助劑能提高單位時(shí)間內(nèi)乙烯產(chǎn)量的根本原因是____________。

(4)用人工光合作用得到的甲醇、氧氣和稀硫酸制作電池，則甲醇應(yīng)通入該電池的____極(填“正”或“負(fù)”)，溶液中的H+流向該電池的____極(填“正”或“負(fù)”)通入氧氣的一極的電極反應(yīng)式為_______________。

Answer 1

【答案】熱 0.015 mol/(Lmin) ad K 加快乙烯生成速率，而對(duì)其他副反應(yīng)幾乎無影響 負(fù) 正 O2+4H++4e-=2H2O

【解析】

(1)光合作用下生成燃料，燃料燃燒釋放出能量；

(2)①根據(jù)表中數(shù)據(jù)可知，5 min后達(dá)到平衡狀態(tài)，甲醇的物質(zhì)的量為0.100 mol，利用3 min時(shí)甲醇的物質(zhì)的量，結(jié)合容器的容積計(jì)算其物質(zhì)的量的濃度，再根據(jù)v= 計(jì)算用甲醇表示0～3 min內(nèi)該反應(yīng)的平均反應(yīng)速率；

②可逆反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)，正、逆反應(yīng)速率相等，各物質(zhì)的濃度、含量不變，甲醇判斷；

(3)①結(jié)合圖表數(shù)據(jù)分析三種助劑對(duì)CO2轉(zhuǎn)化率和乙烯在產(chǎn)物中的百分比分析；

②根據(jù)助劑起催化作用，結(jié)合催化劑在反應(yīng)中的作用分析；

(4)該原電池中，通入燃料甲醇的電極是負(fù)極、通入氧氣的電極是正極；甲醇失去電子生成二氧化碳?xì)怏w，氧氣得到電子與溶液中H+結(jié)合形成水；溶液中陽離子向正極定向移動(dòng)，陰離子向負(fù)極定向移動(dòng)。

(1)由據(jù)圖可知，太陽能首先轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，然后再由化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能，故太陽能最終能量轉(zhuǎn)化形式為熱能；

(2)①根據(jù)表中數(shù)據(jù)可知，3 min時(shí)甲醇的物質(zhì)的量為0.09 mol，由于容器的容積是2 L，反應(yīng)時(shí)間是3 min，故用甲醇表示的反應(yīng)速率v(CH3OH)==0.015 mol/(Lmin)；

②a．v正(H2O)=2v逆(CO2) 可說明正、逆反應(yīng)速率相等，達(dá)到平衡狀態(tài)，a正確；

b．在任何條件下都存在關(guān)系n(CH3OH）：n(O2)=2：3，因此無法判斷各組分的濃度是否繼續(xù)變化，則無法判斷是否達(dá)到平衡狀態(tài)，b錯(cuò)誤；

c．因氣體的體積以及質(zhì)量不變，則容器內(nèi)密度保持不變，不能用于判斷是否達(dá)到平衡狀態(tài)，c錯(cuò)誤；

d．反應(yīng)前后氣體的體積不等，容器內(nèi)壓強(qiáng)為變量，但容器內(nèi)壓強(qiáng)保持不變，可說明達(dá)到平衡狀態(tài)，d正確；

故合理選項(xiàng)是ad；

(3)①結(jié)合圖表數(shù)據(jù)分析可知加鈉時(shí)CO2轉(zhuǎn)化率最大，但乙烯在產(chǎn)物中百分比太低，副產(chǎn)物過多，加銅時(shí)乙烯在產(chǎn)物中的百分比最大，但CO2轉(zhuǎn)化率卻太低，綜合考慮加K時(shí)轉(zhuǎn)化率不算低，同時(shí)乙烯在產(chǎn)物中的百分比較高。故欲提高單位時(shí)間內(nèi)乙烯的產(chǎn)量，在Fe3(CO)12/ZSM-5中添加K助劑效果最好；

②助劑本身也起催化作用，而催化劑在反應(yīng)過程中可以降低反應(yīng)的活化能，從而加快反應(yīng)速率，因此助劑可以起到降低生成乙烯的反應(yīng)所需要的活化能，加快乙烯生成速率，而對(duì)其他副反應(yīng)幾乎無影響；

(4)在反應(yīng)中甲醇被氧化，故通入甲醇的電極應(yīng)為電池的負(fù)極，正極上氧氣得到電子發(fā)生還原反應(yīng)，則通入氧氣的一極為正極，氧氣被還原生成水，正極的電極反應(yīng)式為：O2+4H++4e-=2H2O。根據(jù)同種電荷相互排斥，異種電荷相互吸引的原則，溶液中的H+向負(fù)電荷較高的正極定向移動(dòng)。