Question

【題目】對(duì)溫室氣體二氧化碳的研究一直是科技界關(guān)注的重點(diǎn)。

Ⅰ.在催化劑存在下用H2還原CO2是解決溫室效應(yīng)的重要手段之一，相關(guān)反應(yīng)如下：

主反應(yīng)：CO2(g)＋4H2(g)CH4(g)＋2H2O(g)　ΔH1①

副反應(yīng)：CO2(g)＋H2(g)=CO(g)＋H2O(g)　ΔH2＝＋41.2 kJ·mol－1

已知：H2和CH4的燃燒熱分別為285.5 kJ·mol－1和890.0 kJ·mol－1，H2O(l)===H2O(g)　ΔH＝＋44 kJ·mol－1。

(1)ΔH1＝________ kJ·mol－1。

(2)有利于提高CH4產(chǎn)率的反應(yīng)條件是(至少寫兩條)______________________________工業(yè)上提高甲烷反應(yīng)選擇性的關(guān)鍵因素是________________________________。

(3)T℃時(shí)，若在體積恒為2 L的密閉容器中同時(shí)發(fā)生上述反應(yīng)，將物質(zhì)的量之和為5 mol的H2和CO2以不同的投料比進(jìn)行反應(yīng)，結(jié)果如圖1所示。若a、b表示反應(yīng)物的平衡轉(zhuǎn)化率，則表示H2平衡轉(zhuǎn)化率的是________，c、d分別表示CH4(g)和CO(g)的體積分?jǐn)?shù)，由圖1可知＝________時(shí)，甲烷產(chǎn)率最高。若該條件下CO的產(chǎn)率趨于0，則T℃時(shí)①的平衡常數(shù)K＝___________________。

Ⅱ.溶于海水的CO2 95%以HCO3-形式存在。

在海洋中，通過圖2鈣化作用實(shí)現(xiàn)碳自凈。

(4)寫出鈣化作用的離子方程式________________。

(5)電解完成后，a室的pH________(填“變大”、“變小”或“幾乎不變”)；b室發(fā)生反應(yīng)的離子方程式為________________________。

Answer 1

【答案】－164.0 降低溫度、增大壓強(qiáng) 催化劑 b 4 100 2HCO3-＋Ca2＋=CaCO3↓＋CO2↑＋H2O 幾乎不變 H＋＋HCO3-=CO2↑＋H2O

【解析】

Ⅰ(1)根據(jù)蓋斯定律解答；

(2)該主反應(yīng)為氣體分子數(shù)減小的放熱反應(yīng)，根據(jù)外界條件平衡移動(dòng)的影響分析如何提高產(chǎn)率；

(3)結(jié)合圖像曲線分析的比值，確定轉(zhuǎn)化率，再利用“三段式”求解平衡常數(shù)；

Ⅱ(4)由圖2可知，HCO3-為反應(yīng)物，CaCO3、CO2為生成物，據(jù)此分析書寫離子反應(yīng)方程式；

(5)a室為陽極室，陽極上發(fā)生氧化反應(yīng)，電極反應(yīng)式為2H2O－4e－=O2↑＋4H＋，陽離子向陰極移動(dòng)，據(jù)此分析。

Ⅰ(1)由H2和CH4的燃燒熱分別為285.5 kJ·mol－1和890.0 kJ·mol－1，可得：

①CO2(g)＋4H2(g)CH4(g)＋2H2O(g) ΔH1

②H2(g)＋O2(g)=H2O(l)　ΔH＝－285.5 kJ·mol－1

③CH4(g)＋2O2(g)=CO2(g)＋2H2O(l)　ΔH＝－890.0 kJ·mol－1

④H2O(l)=H2O(g)　ΔH＝＋44 kJ·mol－1

根據(jù)蓋斯定律知，①＝②×4－③＋④×2，則ΔH1＝(－285.5 kJ·mol－1)×4－(－890.0 kJ·mol－1)＋(＋44 kJ·mol－1)×2＝－164.0 kJ·mol－1；

(2)該主反應(yīng)為氣體分子數(shù)減小的放熱反應(yīng)，故有利于提高CH4產(chǎn)率的反應(yīng)條件是降低溫度、增大壓強(qiáng)。催化劑具有專一性，工業(yè)上提高甲烷反應(yīng)選擇性的關(guān)鍵因素是催化劑；

(3)隨著增大，H2的平衡轉(zhuǎn)化率減小，CO2的平衡轉(zhuǎn)化率增大，結(jié)合題圖1可得，b表示H2的平衡轉(zhuǎn)化率，a表示CO2的平衡轉(zhuǎn)化率。c表示甲烷的體積分?jǐn)?shù)，當(dāng)＝4時(shí)，甲烷產(chǎn)率最高。＝4時(shí)，CO的產(chǎn)率趨于0，由題意并結(jié)合題圖1得起始時(shí)c(CO2)＝0.5 mol·L－1，c(H2)＝2 mol·L－1，CO2、H2的平衡轉(zhuǎn)化率均為0.80，則根據(jù)三段式法有：

平衡常數(shù)K＝＝＝100；

Ⅱ(4)由題圖2可知，HCO為反應(yīng)物，CaCO3、CO2為生成物，則鈣化作用的離子方程式為2HCO＋Ca2＋=CaCO3↓＋CO2↑＋H2O；

(5)a室為陽極室，陽極上發(fā)生氧化反應(yīng)，電極反應(yīng)式為2H2O－4e－=O2↑＋4H＋，反應(yīng)產(chǎn)生的H＋通過質(zhì)子交換膜進(jìn)入b室參與反應(yīng)生成CO2和H2O時(shí)進(jìn)入陰極室與OH－也反應(yīng)，所以電解后a室溶液的pH幾乎不變，b室發(fā)生反應(yīng)的離子方程式為H＋＋HCO3-=CO2↑＋H2O。