Question

【題目】二氧化碳減排和再利用技術是促進工業可持續發展和社會環保的重要措施。將工業廢氣中的二氧化碳轉化為甲醇，其原理是：

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

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

①反應開始至達平衡時，υ(H2)=________；該溫度下反應的平衡常數為______mol-2·L2。

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

(2)還可以通過以下途徑實現CO2向CH3OH的轉化：

反應I：CO2(g)+H2(g)H2O(g)+CO(g) △H<0

反應Ⅱ：2H2(g)+CO(g)CH3OH(g) △H<0

反應I和反應Ⅱ的平衡常數K隨溫度T的變化如圖2所示。

①根據圖中數據分析可知，T1____T2（填“>”、“<”或“=”）；T2時CO2轉化為CH3OH的平衡常數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CH3OH，其優點是_________。

(3)用電解法可將CO2轉化為多種燃料，原理如圖3。銅電極上產生HCOOH的電極反應式為_________。

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，且生產成本受煤和天然氣價格影響較大，CO2來源廣泛，它還是溫室氣體，可以解決環境污染 CO2+2e-+2H+=HCOOH

【解析】

(1)①開始時混合氣體總物質的量=(0.04+0.08)mol=0.12mol，恒溫恒容條件下，氣體物質的量之比等于壓強之比，則平衡時混合氣體總物質的量=×0.12mol=0.08mol，根據方程式知，如果有3mol氫氣完全反應，則混合氣體物質的量減少2mol，則混合氣體減少(0.12-0.08)mol=0.04mol，則消耗n(H2)=×0.04mol=0.06mol，反應開始至達平衡時，υ(H2)=計算；

利用化學平衡常數的含義計算可逆反應CO2(g)+3H2(g)H2O(g)+CH3OH(g)的化學平衡常數；

②改變條件時只縮短了反應達到平衡時間，但是平衡時壓強不變；

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

反應Ⅰ：CO2(g)+H2(g)H2O(g)+CO(g)△H＜0

反應Ⅱ：2H2(g)+CO(g)CH3OH(g) △H＜0

將方程式I+II可得相應反應的化學平衡常數K與這兩個已知反應的化學平衡常數的關系；

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

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

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

可逆反應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

化學平衡常數K==104L2/mol2；

②改變條件時只縮短了反應達到平衡時間，但是平衡時壓強不變，催化劑只改變化學反應速率不影響平衡移動，所以改變的條件是加入催化劑；

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

反應Ⅰ：CO2(g)+H2(g)H2O(g)+CO(g)△H＜0

反應Ⅱ：2H2(g)+CO(g)CH3OH(g)△H＜0

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

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

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