Question

20．近年科学家提出“绿色自由”构想．把含有大量CO₂的空气吹入K₂CO₃溶液中，再把CO₂从溶液中提取出来，并使之与H₂反应生成可再生能源甲醇．其工艺流程如图所示：
（1）分解池中主要物质是KHCO₃．
（2）在合成塔中，若有4400g CO₂与足量H₂反应，生成气态的H₂O和甲醇，可放出5370kJ的热量，写出该反应的热化学方程式CO₂（g）+3H₂（g）$\frac{\underline{\;2×105Pa，300℃\;}}{催化剂}$CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-53.7KJ/mol．
（3）该工艺在哪些方面体现了“绿色自由”构想中的“绿色”减少大气中并产生清洁能源甲醇；可循环使用；能量可以循环利用，低碳经济等．
（4）一定条件下，往2L恒容密闭容器中充入1mol CO₂和3mol H₂，在不同催化剂作用下发生反应I、反应II与反应III，相同时间内CO₂的转化率随温度变化如图1所示：
（图1中c点的转化率为66.67%，即转化了$\frac{2}{3}$）
①催化剂效果最佳的反应是Ⅰ（填“反应I”，“反应II”，“反应III”）．
②b点v （正）＞v （逆）（填“＞”，“＜”，“=”）．
③若此反应在a点时已达平衡状态，a点的转化率比c点高的原因是该反应为放热反应，温度升高，平衡逆向移动．
④c点时该反应的平衡常数K=3.70．
（5）科学家还研究了其它转化温室气体的方法，利用图2所示装置可以将CO₂转化为气体燃料CO．该装置工作时，N电极的电极反应式为CO₂+2e^-+2H⁺=CO+H₂O．

Answer 1

分析 空气中的CO₂与K₂CO₃溶液生成KHCO₃，碳酸氢钾不稳定，在分解池中加热分解生成碳酸钾和二氧化碳、水，二氧化碳与氢气合成甲醇，
（1）吸收池中盛有饱和碳酸钾溶液，吸收空气中的二氧化碳，转化为KHCO₃；
（2）1mol二氧化碳反应放出热量为5370kJ×$\frac{1mol×44g/mol}{4400g}$=53.7kJ，注明物质的聚集状态与反应热书写热化学方程式；
（3）减少大气中并产生清洁能源甲醇；可循环使用；能量可以循环利用，低碳经济等都体现了“绿色自由”构想中的“绿色”；
（4）①由图象知：反应Ⅰ在较低温度T₃时CO₂就达到80%的转化率，故催化剂效果最佳的反应是反应Ⅰ；
②T₃的b点时，反应未达到限度，故v_（正）＞v_（逆）；
③该反应为放热反应，T₄反应已经达到平衡，升高温度到T₅平衡向逆反应移动，从而使CO₂的转化率降低．故T₄的a点转化率比T₅的c点高；
④c点时时，CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）
起始（mol/L）：0.6               1.8          0           0
转化（mol/L）：$0.6×\frac{2}{3}$   $0.6×\frac{2}{3}$$0.6×\frac{2}{3}$$0.6×\frac{2}{3}$
平衡（mol/L）：0.2       0.6          0.4        0.4
带入平衡常数表达式计算；
（5）该装置中，根据电子流向知，M是负极，N是正极，正极得电子发生还原反应，反应式为CO₂+2e^-+2H⁺=CO+H₂O．

解答 解：（1）吸收池中盛有饱和碳酸钾溶液，吸收空气中的二氧化碳，转化为KHCO₃；
故答案为：KHCO₃；
（2）1mol二氧化碳反应放出热量为5370kJ×$\frac{1mol×44g/mol}{4400g}$=53.7kJ，该反应的热化学方程式为：CO₂（g）+3H₂（g）$\frac{\underline{\;2×105Pa，300℃\;}}{催化剂}$CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-53.7KJ/mol；
故答案为：CO₂（g）+3H₂（g）$\frac{\underline{\;2×105Pa，300℃\;}}{催化剂}$CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-53.7KJ/mol；
（3）减少大气中并产生清洁能源甲醇；可循环使用；能量可以循环利用，低碳经济等都体现了“绿色自由”构想中的“绿色”；
故答案为：减少大气中并产生清洁能源甲醇；可循环使用；能量可以循环利用，低碳经济等；
（4）①由图象知：反应Ⅰ在较低温度T₃时CO₂就达到80%的转化率，催化剂效果最佳的反应是反应Ⅰ；
故答案为：Ⅰ；
②T₃的b点时，反应未达到限度，故v_（正）＞v_（逆）；
故答案为：＞；
③该反应为放热反应，T₄反应已经达到平衡，升高温度到T₅平衡向逆反应移动，从而使CO₂的转化率降低．T₄的a点转化率比T₅的c点高．
 故答案为：该反应为放热反应，温度升高，平衡逆向移动；
④c点时，CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）
起始（mol/L）：0.6               1.8          0           0
转化（mol/L）：$0.6×\frac{2}{3}$   $0.6×\frac{2}{3}$$0.6×\frac{2}{3}$$0.6×\frac{2}{3}$
平衡（mol/L）：0.2       0.6          0.4        0.4
在温度为T₅时，该反应的平衡常数K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）{c}^{3}（{H}_{2}）}$=$\frac{0.4×0.4}{0.2×0．{6}^{3}}$=3.70；
故答案为：K=3.70；
（5）该装置中，根据电子流向知，M是负极，N是正极，正极得电子发生还原反应，反应式为CO₂+2e^-+2H⁺=CO+H₂O；
故答案为：CO₂+2e^-+2H⁺=CO+H₂O．

点评 本题考查化学工业流程、热化学方程式书写、化学平衡计算与影响因素、电极反应式的书写等知识点，综合性较强，注意把握基础灵活运用，难度中等．