Question

【题目】研究煤的合理利用及CO2的综合应用有着重要的意义。请回答以下问题:

I.煤的气化

已知煤的气化过程涉及的基本化学反应有：

C（s）+H20（g）CO（g）+H2（g） △H=+131kJ/mol

②CO（g）+3H2（g）CH4（g）+H2O（g） △H=akJ/mol

查阅资料反应②中相关化学键键能数据如下表：

化学键		H-H	H—C	H-O
E/（kJ/mol）	1072	436	414	465

（1）煤直接甲烷化反应C（s）+2H2（g）CH4（g）的△H为_______kJ/mol，该反应在______（填“髙温”或“低温”）下自发进行。

Ⅱ.合成低碳烯烃

在体积为1 L的密闭容器中，充入1molCO2和2.5molH2，发生反应：

2C02（g）+6H2（g）C2H4（g）+4H20（g） △H=-128kJ/mol，测得温度对催化剂催化效率和 C02平衡转化率的影响如图所示：

（2）图中低温时，随着温度升高催化剂的催化效率提高，但C02的平衡转化率却反而降低，其原因是__________。

（3）250℃时，该反应的平衡常数K值为__________。

Ⅲ.合成甲醇

在恒温2 L容积不变的密闭容器中，充入lmolC02和3molH2，发生反应：C02（g）+3H2（g）CH30H（g）+H20（g），测得不同时刻反应前后容器内压强变化（p后/p前）如下表：

时间/h	1	2	3	4	5	6
p后/p前	0.90	0.85	0.82	0.81	0.80	0.80

（4）反应前1小时内的平均反应速率V（H2）为_________mol/（L·h），该温度下C02的平衡转化率为_________。

IV.电解逆转化制乙醇

（5）科研人员通过反复实验发现：C02可以在酸性水溶液中电解生成乙醇，则生成乙醇的反应发生在_________极（“阴”或“阳”），该电极的反应式为_________。

Answer 1

【答案】-75 低温 △H＜0，温度升高，平衡向逆反应方向移动，所以CO2的平衡转化率降低 1 0.3 40% 阴 2CO2+12H++12e-=CH3CH2OH+3H2O

【解析】

（1）根据盖斯定律分析解答，反应若自发进行，则△G=△H -T△S＜0；

（2）根据温度对催化剂的催化活性和对平衡移动的影响分析CO2的平衡转化率；

（3）利用化学平衡常数的定义式计算；

（4）根据在恒容密闭容器内，气体的压强比等于气体的物质的量的比，计算出H2物质的量的改变值，再根据速率的定义计算，同时利用变化关系式计算出平衡时CO2改变的物质的量，利用物质的转化率为质量除以起始量，计算出该温度下CO2的平衡转化率；

（5）根据阳极发生氧化反应，阴极发生还原反应，结合溶液的酸碱性书写电极反应式。

（1）根据反应方程式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，该反应是气体体积减小的放热反应，根据体系的自由能公式△G=△H-T△S，若反应自发进行，则△G=△H -T△S＜0，所以温度较低时△G＜0，反应自发进行，故答案为：-75，低温。

（2）由图分析可知在250℃时催化剂活性最大，在低于该温度时，升高温度，催化剂活性增强，而CO2的平衡转化率随着温度的升高而降低，是由于该反应的正反应是放热反应，升高温度，化学平衡向吸热的逆反应方向移动，使反应物CO2的转化率降低，故答案为：△H＜0，温度升高，平衡向逆反应方向移动，所以CO2的平衡转化率降低。

（3）在250℃时CO2的平衡转化率为50%，根据起始时加入的物质的物质的量及反应2CO2（g）+6H2（g）C2H4（g）+4H2O（g）中各种物质的转化关系可知，达到平衡时各种物质的平衡浓度分别为c(CO2)=0.5mol/L，c(H2)=1.0mol/L，c(C2H4)=0.25mol/L，c(H2O)=1.0mol/L，则该温度下的化学平衡常数K=0.25×14/0/52×16=1，故答案为：1。

（4）化学反应：2CO2（g）+6H2（g）C2H4（g）+4H2O（g）

n（开始）/mol 1 3 0 0

1h/mol x 3x x x

△n/mol y 3y y y

在1h时气体的总物质的量n=1-x+3-3x+x+x=(4-2x)mol，开始时总物质的量为4mol，根据P后/P前=(4-2x)/4=0.90，解得x=0.2mol，所以H2改变的物质的量为3×0.2mol=0.6mol，V（H2）=△c/△t=0.6mol/2L/1h=0.3mol/（L·h），在平衡时气体的总物质的量n=1-y+3-3y+y+y=(4-2y)mol，开始时总物质的量为4mol，根据P后/P前=(4-2y)/4=0.80，解得y=0.4mol，所以CO的平衡转化率为0.4mol/1mol×100%=40%，故答案为：0.3，40%。

（5）CO2中碳元素的化合价为+4价，乙醇CH3CH2OH中C的平均化合价为-2价，化合价降低，获得电子，所以生成乙醇的反应发生在阴极，在酸性条件下，CO2在阴极获得电子，变成乙醇，电极反应式为2CO2+12H++12e-=CH3CH2OH+3H2O，故答案为：阴，2CO2+12H++12e-=CH3CH2OH+3H2O。