Question

【题目】CO2和CH4是两种重要的温室气体，通过CH4和CO2反应制造更高价值化学品是目前的研究目标。

(一)①己知：CH4(g)+2O2(g)=CO2(g)+2H2O(g) △H=－890.3kJ/mol，CO(g)+H2O(g)=CO2(g)+H2(g)△H=+2.8 kJ/mol，

2CO(g)+O2(g)=2CO2(g)△H=-566.0 kJ/mol，

反应CO2(g)+CH4(g)2CO(g)+2H2(g)的△H=_____。

②250℃时，以镍合金为催化剂，向2L容器中通入6mol CO2、6mol CH4，发生如下反应：CO2(g)+CH4(g)2CO(g)+2H2(g)。2min后达到平衡，测得平衡体系中H2的体积分数为40％。此温度下该反应的平衡常数K=______。2min内CO2平均消耗速率为________。

(2)以二氧化钛表面覆盖Cu2Al2O4为催化剂，可以将CO2和CH4直接转化成乙酸。

①在不同温度下催化剂的催化效率与乙酸的生成速率如下图所示。250～300℃时，乙酸的生成速率减小的原因是_________。

②为了提高该反应中CH4的转化率，可能采取的措施是__________________。

③将Cu2Al2O4溶解在稀硝酸中的离子方程式为_____________________。

(3)第三代混合动力车，可以用电动机、内燃机或二者结合推动车轮。汽车上坡或加速时，电动机提供动力，降低油耗；在刹车或下坡时，电池处于充电状态。混合动力车目前一般使用镍氢电池，该电池中镍的化合物为正极，储氢金属(以M表示)为负极，碱液(主要为KOH溶液)为电解质溶液。镍氢电池充放电原理示意图如下，其总反应式为H2+2NiOOHNi(OH)2。

根据所给信息判断，混合动力车上坡或加速时，该电池处于________(选填“充电”或“放电”)，乙电极的电极反应式为_________。

Answer 1

【答案】+247.3 kJ/mol 256 1mol/(L·min) 催化剂的催化效率降低 增大反应压强或增大CO2的浓度 3Cu2Al2O4+32H++2NO3-=6Cu2＋+6Al3++2NO↑+16H2O 放电 NiOOH+H2O+e-=Ni(OH)2+OH-

【解析】

(1)①根据盖斯定律来解答；

②先利用物质反应转化关系计算出各种物质的平衡浓度，带入平衡常数表达式计算可得其数值，根据速率含义计算出CO2的反应速率；

(2)①根据温度对催化剂活性的影响；

②根据外界条件对化学平衡的影响，平衡正向移动，反应物转化率增大；

③先将Cu2Al2O4拆成氧化物的形式：Cu2OAl2O3，再根据氧化物与酸反应生成离子方程式，需要注意的是一价铜具有还原性；

(3)上坡或加速时，该装置是原电池，根据图知，乙是镍的化合物为正极，正极上NiOOH得电子发生还原反应，据此书写电极反应式。

(1)①CH4(g)+2O2(g)=CO2(g)+2H2O(g) △H=-890.3kJ/mol①

CO(g)+H2O(g)=CO2(g)+H2(g) △H=2.8kJ/mol ②

2CO(g)+O2(g)=2CO2(g) △H=-566.0kJ/mol ③

根据盖斯定律，由①+②×2-③×2得，CO2(g)+CH4(g)2CO(g)+2H2(g) △H=-890.3kJ/mol+2.8kJ/mol×2+566.0kJ/mol×2=+247.3 kJ/mol；

②反应开始时，向2L容器中通入6mol CO2、6mol CH4，c(CO2)=c(CH4)=6mol÷2L=3mol/L，发生如下反应：CO2(g)+CH4(g)2CO(g)+2H2(g)。2min后达到平衡，测得平衡体系中H2的体积分数为40％。假设CO2转化浓度为x，则同时会消耗CH4浓度为x，产生CO浓度为2x，产生H2浓度为2x，则平衡时各种物质的浓度：c(CO2)=c(CH4)=(3-x)mol/L，c(CO)=c(H2)=2x，由于测得平衡体系中H2的体积分数为40％，所以=40%，解得x=2，所以此温度下该反应的平衡常数K==256。2min内CO2平均消耗速率为v(CO2)==1mol/(Lmin)；

(2)①温度超过250℃时，催化剂的催化效率降低，所以温度升高而乙酸的生成速率降低；

②增大反应压强、增大CO2的浓度，平衡正向移动，反应物转化率增大；

③Cu2Al2O4拆成氧化物的形式：Cu2OAl2O3，与酸反应生成离子方程式：3Cu2Al2O4+32H++2NO3-=6Cu2++6Al3++2NO↑+16H2O；

(3)上坡或加速时，该装置是原电池，根据图知，乙是镍的化合物为正极，正极上NiOOH和水得电子生成氢氧化镍和氢氧根离子，电极反应式为NiOOH+H2O+e-=Ni(OH)2+OH-，所以附近溶液中氢氧根离子浓度增大，溶液的pH值变大。