Question

【题目】CO2的回收与利用是科学家研究的热点课题。可利用CH4与CO2制备合成气(CO、H2)，还可制备甲醇、二甲醚、低碳烯经等燃料产品。

I.科学家提出制备“合成气”反应历程分两步：

反应①：CH4(g)C(ads) +2H2(g) (慢反应)

反应②：C(ads) + CO2(g)2CO(g) (快反应)

上述反应中C(ads)为吸附性活性炭，反应历程的能量变化如图：

(1)CH4与CO2制备合成气的热化学方程式为____________：该反应在高温下可自发正向进行的原因是_________，能量变化图中：E5+E1___E4+E2(填“>”、“<”或“=”)。

II.利用“合成气”合成申醇后，脱水制得二甲醚。

反应为：2CH3OH(g)CH3OCH3 (g) + H2O(g) △H

经查阅资料，在一定范围内，上述反应化学平衡常数与热力学温度存在如下关系：lnKc=-2.205+。其速率方程为：v正=k正c2(CH3OH)，v逆=k逆c(CH3OCH3)c(H2O)，k正、K逆为速率常数，且影响外因只有温度。

(2)反应达到平衡后，仅升高温度，k正增大的倍数________ k逆增大的倍数(填“>”、“<”或“= ”)。

(3)某温度下，Kc=200，在密闭容器中加入一定量CH3OH。反应到某时刻测得各组分的物质的量如下：

物质	CH3OH	CH3OCH3	H2O
物质的量/mol	0.4	0.4	0.4

此时正、逆反应速率的大小：v正 ____v逆(填“>”、“<”或“=”)。

(4)500K下，在密闭容器中加入一定量甲醇CH3OH，反应到达平衡状态时，体系中CH3OCH3(g)的物质的量分数为_____(埴标号)

A. B. C. D.无法确定

Ⅲ.合成低碳烯经

(5)强碱性电催化还原CO2制备乙烯研究取得突破进展，原理如图所示。b极接的是太阳能电池的_______极(已知PTFE浸泡了饱和KCl溶液)。请写出阴极的电极反应式______。

Answer 1

【答案】CH4 (g) + CO2 (g)2CO (g) + 2H2 (g) ΔH= +(E3 - E1) kJ·mol-1 该反应正向吸热，气体计量数增大(熵增)，高温有利于正向自发进行 ＜ ＜ ＞ C 正 2CO2 + 12e- + 8H2O = C2H4 + 12OH-

【解析】

Ⅰ．(1)焓变△H＝生成物的总内能反应物的总内能，结合物质的凝聚状态写出热化学方程式；根据化学反应自发进行的条件判断；反应越慢，反应的活化能越高，据此解答；

II．由lnKc=-2.205+可知，温度T越大，则Kc越小，即升高温度，Kc减小，所以2CH3OH(g)CH3OCH3(g)＋H2O(g)的△H＜0；

(2)升高温度，平衡逆向进行，即v正＜v逆，结合速率常数k的变化分析；

(3)根据浓度熵Qc与平衡常数K的关系若Qc＞K，则反应逆向进行；

(4)根据lnKc=-2.205+和T＝500K计算平衡常数Kc，结合反应三段式计算平衡时CH3OCH3(g)的物质的量和物质的量分数；

Ⅲ．(5)由电解装置图可知，a电极上CO2发生得电子的还原反应生成C2H4，所以a电极为阴极、b为阳极，阴极上CO2得电子生成C2H4，结合电子守恒和电荷守恒写出电极反应式。

Ⅰ．(1)CH4与CO2制备“合成气”的化学方程式为CH4(g)＋CO2(g)2H2(g)＋2CO(g)，由图可知故反应的焓变△H＝生成物的总内能反应物的总内能＝(E3E1)kJ/mol，反应的热化学方程式为CH4(g)＋CO2(g) 2CO(g)+2H2 (g) △H＝＋(E3E1)kJ/mol；该反应正向吸热，气体计量数增大(熵增)，高温有利于正向自发进行；两步历程中反应①是慢反应，所以反应①的活化能大于反应②的活化能，即E4E1＞E5E2，所以E5＋E1＜E4＋E2；

II．由lnKc=-2.205+可知，温度T越大，则Kc越小，即升高温度，Kc减小，所以2CH3OH(g)CH3OCH3(g)＋H2O(g)的△H＜0；

(2)升高温度，正逆反应速率均增大，但平衡逆向进行，v正＜v逆，所以k正增大的倍数小于k逆增大的倍数；

(3)2CH3OH(g)CH3OCH3(g)＋H2O(g)是气体体积不变化的反应，可用物质的量代替浓度代入表达式中计算，浓度熵Qc＝＝＝1＜200＝Kc，所以反应正向进行，v正＞v逆；

(4)T＝500K时，lnKc=-2.205+＝2.205＋＝3.2122274，Kc＝e3.2122274，所以22＜e3.2122274＜34，即4＜Kc＜81，设CH3OH的起始量为2mol，CH3OCH3生成的物质的量为xmol，则反应的三段式为：

平衡常数Kc＝＝＝×，＝4Kc，16＜＝4Kc＜324，解得＜x＜，体系中CH3OCH3(g)的物质的量分数为×100%，在40%～47.4%之间；

(5)①由电解装置图可知，a电极上CO2发生得电子的还原反应生成C2H4，所以a电极为阴极、b为阳极，阳极与电源正极相接、阴极与电源负极相接；

②阴极上CO2得电子生成C2H4，电极反应式为2CO2 + 12e- + 8H2O = C2H4 + 12OH-。