Question

【題目】研究煤的合理利用及CO2的綜合應(yīng)用有著重要的意義。請回答以下問題:

I.煤的氣化

已知煤的氣化過程涉及的基本化學(xué)反應(yīng)有：

C（s）+H20（g）CO（g）+H2（g） △H=+131kJ/mol

②CO（g）+3H2（g）CH4（g）+H2O（g） △H=akJ/mol

查閱資料反應(yīng)②中相關(guān)化學(xué)鍵鍵能數(shù)據(jù)如下表：

化學(xué)鍵		H-H	H—C	H-O
E/（kJ/mol）	1072	436	414	465

（1）煤直接甲烷化反應(yīng)C（s）+2H2（g）CH4（g）的△H為_______kJ/mol，該反應(yīng)在______（填“髙溫”或“低溫”）下自發(fā)進(jìn)行。

Ⅱ.合成低碳烯烴

在體積為1 L的密閉容器中，充入1molCO2和2.5molH2，發(fā)生反應(yīng)：

2C02（g）+6H2（g）C2H4（g）+4H20（g） △H=-128kJ/mol，測得溫度對催化劑催化效率和 C02平衡轉(zhuǎn)化率的影響如圖所示：

（2）圖中低溫時(shí)，隨著溫度升高催化劑的催化效率提高，但C02的平衡轉(zhuǎn)化率卻反而降低，其原因是__________。

（3）250℃時(shí)，該反應(yīng)的平衡常數(shù)K值為__________。

Ⅲ.合成甲醇

在恒溫2 L容積不變的密閉容器中，充入lmolC02和3molH2，發(fā)生反應(yīng)：C02（g）+3H2（g）CH30H（g）+H20（g），測得不同時(shí)刻反應(yīng)前后容器內(nèi)壓強(qiáng)變化（p后/p前）如下表：

時(shí)間/h	1	2	3	4	5	6
p后/p前	0.90	0.85	0.82	0.81	0.80	0.80

（4）反應(yīng)前1小時(shí)內(nèi)的平均反應(yīng)速率V（H2）為_________mol/（L·h），該溫度下C02的平衡轉(zhuǎn)化率為_________。

IV.電解逆轉(zhuǎn)化制乙醇

（5）科研人員通過反復(fù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：C02可以在酸性水溶液中電解生成乙醇，則生成乙醇的反應(yīng)發(fā)生在_________極（“陰”或“陽”），該電極的反應(yīng)式為_________。

Answer 1

【答案】-75 低溫 △H＜0，溫度升高，平衡向逆反應(yīng)方向移動，所以CO2的平衡轉(zhuǎn)化率降低 1 0.3 40% 陰 2CO2+12H++12e-=CH3CH2OH+3H2O

【解析】

（1）根據(jù)蓋斯定律分析解答，反應(yīng)若自發(fā)進(jìn)行，則△G=△H -T△S＜0；

（2）根據(jù)溫度對催化劑的催化活性和對平衡移動的影響分析CO2的平衡轉(zhuǎn)化率；

（3）利用化學(xué)平衡常數(shù)的定義式計(jì)算；

（4）根據(jù)在恒容密閉容器內(nèi)，氣體的壓強(qiáng)比等于氣體的物質(zhì)的量的比，計(jì)算出H2物質(zhì)的量的改變值，再根據(jù)速率的定義計(jì)算，同時(shí)利用變化關(guān)系式計(jì)算出平衡時(shí)CO2改變的物質(zhì)的量，利用物質(zhì)的轉(zhuǎn)化率為質(zhì)量除以起始量，計(jì)算出該溫度下CO2的平衡轉(zhuǎn)化率；

（5）根據(jù)陽極發(fā)生氧化反應(yīng)，陰極發(fā)生還原反應(yīng)，結(jié)合溶液的酸堿性書寫電極反應(yīng)式。

（1）根據(jù)反應(yīng)方程式①CO（g）+3H2（g）CH4（g）+H2O（g） △H=akJ/mol可知：△H=（1072+436×3-4×414-2×465）kJ/mol=-206kJ/mol，由①+②整理可得：C（s）+2H2（g）CH4（g）的△H=+131kJ/mol+（-206kJ/mol）=-75kJ/mol，該反應(yīng)是氣體體積減小的放熱反應(yīng)，根據(jù)體系的自由能公式△G=△H-T△S，若反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行，則△G=△H -T△S＜0，所以溫度較低時(shí)△G＜0，反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行，故答案為：-75，低溫。

（2）由圖分析可知在250℃時(shí)催化劑活性最大，在低于該溫度時(shí)，升高溫度，催化劑活性增強(qiáng)，而CO2的平衡轉(zhuǎn)化率隨著溫度的升高而降低，是由于該反應(yīng)的正反應(yīng)是放熱反應(yīng)，升高溫度，化學(xué)平衡向吸熱的逆反應(yīng)方向移動，使反應(yīng)物CO2的轉(zhuǎn)化率降低，故答案為：△H＜0，溫度升高，平衡向逆反應(yīng)方向移動，所以CO2的平衡轉(zhuǎn)化率降低。

（3）在250℃時(shí)CO2的平衡轉(zhuǎn)化率為50%，根據(jù)起始時(shí)加入的物質(zhì)的物質(zhì)的量及反應(yīng)2CO2（g）+6H2（g）C2H4（g）+4H2O（g）中各種物質(zhì)的轉(zhuǎn)化關(guān)系可知，達(dá)到平衡時(shí)各種物質(zhì)的平衡濃度分別為c(CO2)=0.5mol/L，c(H2)=1.0mol/L，c(C2H4)=0.25mol/L，c(H2O)=1.0mol/L，則該溫度下的化學(xué)平衡常數(shù)K=0.25×14/0/52×16=1，故答案為：1。

（4）化學(xué)反應(yīng)：2CO2（g）+6H2（g）C2H4（g）+4H2O（g）

n（開始）/mol 1 3 0 0

1h/mol x 3x x x

△n/mol y 3y y y

在1h時(shí)氣體的總物質(zhì)的量n=1-x+3-3x+x+x=(4-2x)mol，開始時(shí)總物質(zhì)的量為4mol，根據(jù)P后/P前=(4-2x)/4=0.90，解得x=0.2mol，所以H2改變的物質(zhì)的量為3×0.2mol=0.6mol，V（H2）=△c/△t=0.6mol/2L/1h=0.3mol/（L·h），在平衡時(shí)氣體的總物質(zhì)的量n=1-y+3-3y+y+y=(4-2y)mol，開始時(shí)總物質(zhì)的量為4mol，根據(jù)P后/P前=(4-2y)/4=0.80，解得y=0.4mol，所以CO的平衡轉(zhuǎn)化率為0.4mol/1mol×100%=40%，故答案為：0.3，40%。

（5）CO2中碳元素的化合價(jià)為+4價(jià)，乙醇CH3CH2OH中C的平均化合價(jià)為-2價(jià)，化合價(jià)降低，獲得電子，所以生成乙醇的反應(yīng)發(fā)生在陰極，在酸性條件下，CO2在陰極獲得電子，變成乙醇，電極反應(yīng)式為2CO2+12H++12e-=CH3CH2OH+3H2O，故答案為：陰，2CO2+12H++12e-=CH3CH2OH+3H2O。