Question

【題目】CO2的綜合利用對(duì)于減少溫室氣體、緩解能源緊缺具有重要的意義。

（Ⅰ）CO2的性質(zhì)穩(wěn)定，其電子式為___。

（Ⅱ）多晶Cu是唯一被實(shí)驗(yàn)證實(shí)能高效催化CO2還原為烴類(lèi)(如CH4 或C2H4)的金屬。電解裝置分別以多晶Cu和鉑為電極材料，用陰離子交換膜分隔開(kāi)陰、陽(yáng)極室，陰、陽(yáng)極室的KHCO3溶液的濃度(約0.1 mol/L左右)基本保持不變。并向某極室內(nèi)持續(xù)通入CO2，溫度控制在10℃左右。

(1)持續(xù)通入CO2的原因是______。

(2)研究表明，催化劑的多種因素決定了C2H4的選擇性和催化活性。

已知：選擇性=目標(biāo)產(chǎn)物的消耗原料量/原料總的轉(zhuǎn)化量

在本實(shí)驗(yàn)條件下，生成C2H4的電極反應(yīng)為______。

(3)本實(shí)驗(yàn)條件下，若CO2轉(zhuǎn)化為烴的轉(zhuǎn)化率為10%，生成C2H4的選擇性為12%，現(xiàn)收集到12 mol C2H4，則通入的CO2為______mol。

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

(1)已知：反應(yīng)1：CH4(g) ═C(s)+2H2(g) △H1=+75kJmol﹣1

反應(yīng)2：H2(g) + CO2(g)H2O(g)+CO(g) △H2=+35kJmol﹣1

反應(yīng)3：2CO(g) ═C(s)+ CO2(g) △H3=﹣172kJmol﹣1

則該催化重整反應(yīng)的△H=___kJmol﹣1。從溫度和壓強(qiáng)角度有利于提高CO2平衡轉(zhuǎn)化率的條件是____。

(2)下圖表示體系內(nèi)c(H2)/c(CO)、c(H2O)/c(CO)的變化情況，請(qǐng)解釋1200K以下c(H2)/c(CO)小于1的原因___，并解釋隨溫度的升高c(H2)/c(CO)增大的原因____。

Answer 1

【答案】 提高CO2的濃度，增大CO2的放電能力，抑制H+的放電 14CO2+12e-+8H2O= C2H4+12HCO3- 1000 +247 高溫低壓 因?yàn)榘l(fā)生了反應(yīng)2 H2(g) + CO2(g) H2O(g) +CO(g) 隨溫度的升高，CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g) △H>0，平衡正移，CO濃度增大并且CO2濃度降低，反應(yīng)2平衡逆移，由圖中c(H2O)/ c(CO)變小得到驗(yàn)證，從而c(H2)/ c(CO)增大。

【解析】

Ⅰ．CO2是共價(jià)化合物，其分子內(nèi)碳與每個(gè)氧原子之間存在二個(gè)共用電子對(duì)；

Ⅱ．(1)持續(xù)通入CO2可提高CO2氣體的濃度，確保陰極持續(xù)發(fā)生CO2的還原反應(yīng)；

(2) CO2在電解池的陰極得電子發(fā)生還原反應(yīng)生成C2H4；

(3)若CO2轉(zhuǎn)化為烴的轉(zhuǎn)化率為10%，生成C2H4的選擇性為12%，結(jié)合選擇性=目標(biāo)產(chǎn)物的消耗原料量/原料總的轉(zhuǎn)化量計(jì)算參加反應(yīng)的CO2的物質(zhì)的量；

Ⅲ．(1)根據(jù)蓋斯定律計(jì)算△H；結(jié)合溫度和壓強(qiáng)對(duì)平衡的影響，分析促進(jìn)平衡正向移動(dòng)的條件；

(2)結(jié)合溫度對(duì)反應(yīng)2：H2(g) + CO2(g)H2O(g)+CO(g) △H2=+35kJmol﹣1和CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g) △H=+247 kJmol﹣1的平衡狀態(tài)的影響分析。

Ⅰ．CO2是共價(jià)化合物，其電子式為；

Ⅱ．(1)持續(xù)通入CO2的目的是為了提高CO2的濃度，增大CO2的放電能力，抑制H+的放電，確保陰極持續(xù)發(fā)生CO2的還原反應(yīng)；

(2)CO2在電解池的陰極得電子發(fā)生還原反應(yīng)生成C2H4，發(fā)生的電極反應(yīng)為14CO2+12e-+8H2O=C2H4+12HCO3-；

(3)設(shè)參加反應(yīng)的CO2的物質(zhì)的量為nmol，依據(jù)選擇性=目標(biāo)產(chǎn)物的消耗原料量/原料總的轉(zhuǎn)化量可知：12%=，解得：n=1000mol；

Ⅲ．(1)已知：反應(yīng)1：CH4(g) ═C(s)+2H2(g) △H1=+75kJmol﹣1；反應(yīng)3：2CO(g) ═C(s)+ CO2(g) △H3=﹣172kJmol﹣1；根據(jù)蓋斯定律，由反應(yīng)1-反應(yīng)3即可得到CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g)，則△H=(+75kJmol﹣1)-(﹣172kJmol﹣1)=+247 kJmol﹣1；對(duì)反應(yīng)CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g) △H=+247 kJmol﹣1，升高溫度和降低壓強(qiáng)均能促進(jìn)平衡正向移動(dòng)，故提高CO2平衡轉(zhuǎn)化率的條件是高溫低壓；

(2)因反應(yīng)體系中發(fā)生的反應(yīng)2：H2(g) + CO2(g)H2O(g)+CO(g) △H2=+35kJmol﹣1，溫度較低時(shí)有利于此反應(yīng)正向進(jìn)行，使體系內(nèi)c(H2)的濃度降低，c(CO)的濃度增大，導(dǎo)致體系內(nèi)1200K以下c(H2)/c(CO)小于1；但隨著溫度的升高，CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g) △H>0，平衡正移，CO濃度增大并且CO2濃度降低，反應(yīng)2平衡逆移，由圖中c(H2O)/c(CO)變小得到驗(yàn)證，從而c(H2)/c(CO)增大。