Question

【题目】“反向燃烧”可将二氧化碳变为燃料。回答下列问题：

(已知甲烷的标准燃烧热ΔH＝－890 kJ·mol－1) 。

(1)科学家用氮化镓材料与铜组装如图所示的人工光合系统，利用该装置成功地实现了以CO2和H2O合成CH4。

①写出铜电极表面的电极反应式：_________________________；

②该总反应的热化学方程式为：___________________________，

(2)利用CO2与H2反应可制备CH4。

已知氢气的标准燃烧热ΔH＝－286 kJ·mol－1 ；H2O(g) = H2O (l)，ΔH＝－44kJ·mol－1；

则二氧化碳与氢气反应生成甲烷和水蒸气的热化学方程式为_____________________；

该反应能自发的条件是__________(填高温或低温)。

Answer 1

【答案】CO2＋8e－＋8H＋＝CH4＋2H2O CO2（g）+2H2O（l）＝CH4（g）＋2 O 2（g）△H=+890kJ·mol－1 CO2（g）+ 4H2（g）＝CH4（g）+ 2H2O（g）△H=﹣166kJ·mol－1 低温

【解析】

（1）由电池装置图可知，在太阳光作用下形成原电池，电池工作时是将太阳能转化为电能的过程，铜的表面发生还原反应，CO2得电子与氢离子反应生成甲烷；原电池的总反应为甲烷燃烧的逆过程，能量变化为吸热，以此分析。

（2）写出方程式CO2（g）+ 4H2（g）＝CH4（g）+ 2H2O（g），根据盖斯定律结合已知的热化学方程式求出反应热；根据△H-T△S<0，分析反应条件。

（1）①由电池装置图可知，Cu上二氧化碳得电子生成甲烷，则Cu电极上的电极反应为：CO2+8e-+8H+=CH4+2H2O；
因此，本题正确答案是：CO2+8e-+8H+=CH4+2H2O；

②该原电池负极反应为4H2O-4e-=8H++2O 2↑，则总反应为：CO2+2H2O＝CH4＋2O 2，该反应为甲烷燃烧的逆过程，能量变化为吸热，根据甲烷的标准燃烧热ΔH＝－890 kJ·mol－1，可得该总反应的热化学方程式为：CO2（g）+2H2O（l）＝CH4（g）＋2 O 2（g）△H=+890kJ·mol－1，

因此，本题正确答案是：CO2（g）+2H2O（l）＝CH4（g）＋2 O 2（g）△H=+890kJ·mol－1。

（2）根据已知①CO2（g）+2H2O（l）＝CH4（g）＋2 O 2（g）△H=+890kJ·mol－1，

②H2(g)+O2(g)=H2O(l) △H=-286kJ·mol－1，

③ H2O(g) = H2O (l)，ΔH＝－44kJ·mol－1；

根据盖斯定律，①+②4-③2，得到CO2（g）+ 4H2（g）＝CH4（g）+ 2H2O（g）

△H=+890 kJ·mol－1+（-286 kJ·mol－1）4﹣（-44 kJ·mol－1）2=﹣166kJ·mol－1 ，

根据△H-T△S<0时，反应能够自发进行，该反应为放热反应，ΔH<0，气体分子数减小，ΔS<0，所以，低温有利于反应自发进行，
因此，本题正确答案是：CO2（g）+ 4H2（g）＝CH4（g）+ 2H2O（g）△H=﹣166kJ·mol－1；低温。