Question

【题目】“低碳经济”已成为全世界科学家研究的重要课题，其综合利用具有重要意义。回答下列问题：

（1）CO2与CH4经催化重整，制得合成气：CH4（g）+ CO2（g）2CO （g）+ 2H2（g）

①已知上述反应中相关的化学键键能数据如下：

化学键	C—H	C=O	H—H	CO（CO）
键能/kJ·mol1	413	745	436	1075

则该反应的ΔH=_________。有利于提高CH4平衡转化率的条件是____（填标号）。

A.高温低压 B.低温高压 C.高温高压 D.低温低压

②某温度下，在体积为2 L的容器中加入2 mol CH4、1 mol CO2以及催化剂进行重整反应，达到平衡时CO2的转化率是50%，其平衡常数为_______mol2·L-2。

（2）CO2可以被NaOH溶液捕获。若所得溶液c（HCO3）∶c（CO32 -）=2∶1，溶液pH=____。（室温下，H2CO3的K1=4×10-7；K2=5×10-11），0.1mol·L-1 NaHCO3溶液中阴离子的浓度由大到小的顺序为______________

（3）研究证实，CO2也可在酸性水溶液中通过电解生成甲醇，则生成甲醇的反应发生在_______极，该电极反应式是___________________________________

Answer 1

【答案】+120 kJ·mol–1 A 10 HCO3>OH> CO32 - 阴 CO2+6H++6e-=CH3OH+H2O

【解析】

（1）①该反应的△H=反应物总键能-生成物总键能；CH4（g）+ CO2（g）2CO （g）+ 2H2（g）为气体体积增大的吸热反应，高温低压利于平衡正向移动。

②达到平衡时CO2的转化率是50%，根据方程式知，参加反应的n（CO2）=n（CH4）=1mol×50%=0.5mol，生成的n（CO）=n（H2）=1mol，

该化学反应 CH4（g） + CO2（g） 2CO（g）+ 2H2（g），

开始（mol·L－1）1 0.5 0 0

反应（mol·L－1）0.25 0.25 0.5 0.5

平衡（mol·L－1）0.75 0.25 0.5 0.5

化学平衡常数K=c2(CO)·c2(H2)/[c(CH4)·c(CO2)]；

（2）所得溶液c（HCO3－）：c（CO32－）=2：1，根据K2=c(CO32－)·c(H＋)/c(HCO3－)=5×10-11，计算c（H＋），进而计算溶液pH。

碳酸氢根离子水解生成碳酸分子和氢氧根离子，碳酸氢根离子的水解程度大于电离程度；

（3）CO2也可在酸性水溶液中通过电解生成甲醇，应为电解池的阴极反应，被还原生成甲醇，据此写出电极反应式.

（1）①该反应的△H=反应物总键能-生成物总键能=[4×413+2×745-2×1075-2×436]kJ·mol－1=+120kJ·mol－1；

CH4（g）+ CO2（g）2CO （g）+ 2H2（g）为气体体积增大的吸热反应，提高CH4平衡转化率的条件是高温低压，故选A。

②达到平衡时CO2的转化率是50%，根据方程式知，参加反应的n（CO2）=n（CH4）=1mol×50%=0.5mol，生成的n（CO）=n（H2）=1mol，

该化学反应 CH4（g） + CO2（g） ═ 2CO（g）+ 2H2（g），

开始（mol·L－1）1 0.5 0 0

反应（mol·L－1）0.25 0.25 0.5 0.5

平衡（mol·L－1）0.75 0.25 0.5 0.5

化学平衡常数K=c2(CO)·c2(H2)/[c(CH4)·c(CO2)]=0．52×0．52÷(0.75×0.25)=1/3；

（2）所得溶液c（HCO3－）：c（CO32－）=2：1，根据K2=c(CO32－)·c(H＋)/c(HCO3－)=5×10-11，可知c（H＋）=1×10-10，故pH=10，

碳酸氢根离子水解生成碳酸分子和氢氧根离子，水解离子方程式为：HCO3－+H2OH2CO3+OH－；HCO3－的水解常数=c(H2CO3)·c(OH－)/c(HCO3－)=c(H2CO3)·c(OH－)c(H+)/[c(HCO3－)·c(H+)]=Kw/K1=10-14÷(4×10-7)=2.5×10-8>K2=5×10-11，HCO3－水解程度大于其电离程度，故c（Na＋）＞c（HCO3－）、c（H2CO3）＞c（CO32－），水解程度不大所以c（HCO3－）＞c（H2CO3）、c（HCO3－）＞c（OH－），溶液中氢氧根来源于水的电离与HCO3－水解，故c（OH－）＞c（H2CO3），所以c（Na＋）＞c（HCO3－）＞c（OH－）＞c（H2CO3）＞c（CO32－），阴离子的浓度由大到小的顺序为：c（HCO3－）＞c（OH－）＞c（CO32－）；

（3）CO2也可在酸性水溶液中通过电解生成甲醇，C元素化合价降低，被还原，应为电解池的阴极反应，电极方程式为CO2+6H＋+6e－=CH3OH+H2O。