题目内容

【题目】如何降低大气中CO2的含量及有效地开发利用CO2是当前科学家研究的重要课题。

(1)利用H2CO2生产甲醇燃料。为探究该反应原理,进行如下实验:某温度下,在容积为2 L的密闭容器中充入1 mol CO23.25 molH2,在一定条件下反应,测得CO2CH3OH(g)H2O(g)的物质的量(n)随时间的变化关系如图所示。

①从反应开始到3min时,氢气的平均反应速率v(H2)=_________

②下列措施中一定能使CO2的转化率增大的是____________

A.在原容器中再充入1 molCO2 B.在原容器中再充入1molH2

C.在原容器中充入1 molHe D.使用更有效的催化剂

E.缩小容器的容积 F.将水蒸气从体系中分离出

(2)利用氢气在一定条件下与二氧化碳反应生成乙醇燃料,其热化学反应方程式为2CO2(g)6H2(g)CH3CH2OH(g)3H2O(g) ΔH=akJ/mol,在一定条件下,测得该反应达到平衡状态时的实验数据如表所示。请根据表中数据回答下列问题。

温度(K)

CO 2转化率/ (%)

500

600

700

800

1.5

45

33

20

12

2

60

43

28

15

3

80

61

35

21

①上述反应的a________0(填大于小于)。该反应自发的条件是__________(填高温低温,或任意温度)。

②恒温下,向反应体系中加入固体催化剂,则反应产生的热量________(增大减小不变”)

③在2L密闭容器中充入1molCO2,在 =3500K的温度下达到化学平衡时,则反应的平衡常数是_______________

(3)锂空气电池是前景很广的新颖电池,但锂和空气中的氮气、二氧化碳、水蒸气等发生副反应是锂-空气电池的致命缺陷。所以应在锂金属电极上加一个保护层。该技术的核心是锂表面增加了一层由碳酸锂/碳(Li2CO3/C)组成的致密的保护性涂层。涂层的过程:利用熔融碳酸盐作电解质,直接由锂金属电极与二氧化碳通过 10 次充放电循环,在电极的表面进行化学反应来完成。写出锂电极生成致密保护涂层的电极反应式___________________。利用一种钾盐水溶液作电解质,CO2电催化还原为乙烯,如图所示。在阴极上产生乙烯的电极反应式为_________________

【答案】0.25mol/(L·min) BEF 小于 低温 不变 2Li-2e-+CO32-=Li2CO3 2CO2+12H++12e-=CH2=CH2+4H2O

【解析】

(1)①根据题目内容可知,该工业方法制取甲醇为二氧化碳与氢气反应生成甲醇和水;根据三段式计算出反应混合物各组分的浓度变化量、平衡时的浓度,根据v=,计算出v(H2)

CO2的转化率增大,平衡正向移动,根据影响平衡移动的外界因素可以作判断;

(2)①依据图表数据分析二氧化碳转化率随温度升高减小,结合平衡移动原理得到反应能量变化;

②催化剂对化学平衡没有影响,所以加入催化剂,平衡不移动,反应反应热不变;

③根据物质的浓度、反应温度及CO2的转化率,结合平衡常数的含义计算该温度下的化学平衡常数;

(5)锂电极生成致密保护涂层实质上是锂失去电子,与熔融盐中的CO32-结合形成Li2CO3CO2在钾盐的水溶液中获得电子,被还原变为乙烯。

(1)①该工业方法制取甲醇原理为二氧化碳与氢气反应生成甲醇和水,反应方程式为CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g),根据反应方程式可知,在3min时,CH3OH(g)的物质的量变化了0.5molc(CH3OH)==0.25mol/LV(CH3OH)==mol/(Lmin),根据方程式可知V(H2)=3V(CH3OH)=3×mol/(Lmin)= 0.25mol/(L·min)

CO2的转化率增大,平衡正向移动,根据影响平衡移动的外界因素可以作判断;

A.在原容器中再充入1mol CO2CO2的总物质的量在增加,虽然平衡在正向移动,根据勒夏特列原理可知,CO2的转化率减小,A错误;

B.在原容器中再充入1mol H2,平衡正向移动,CO2的转化率增大,B正确;

C.在原容器中充入1mol He,体积没有变化,各成分浓度不变,平衡不移动,C错误;

D.使用更有效的催化剂,对化学平衡的移动没有影响,D错误;

E.缩小容器的容积,相当于加压,由于该反应是气体体积减小的反应,所以平衡正向移动,CO2的转化率增大,E正确;

F.将水蒸气从体系中分离出,减小生成物浓度,平衡正向移动,CO2的转化率增大,F正确;

故合理选项是BEF

(2)①由图表分析判断,随温度升高,二氧化碳转化率减小,说明升高温度,化学平衡逆向进行,逆反应方向是吸热反应,则正反应是放热反应,所以a小于0,要提高CO2的转化率,就要使平衡正向移动,由于该反应的正反应为放热反应,实验根据平衡移动原理,可知反应温度要在低温下进行;

②催化剂对化学平衡没有影响,所以加入催化剂,化学平衡不移动,化学反应的反应热不变;

③在2L密闭容器中充入1molCO2,在 =3,根据表格可知在500K时,CO2的转化率是80%

发生反应: 2CO2(g)+6H2(g)CH3CH2OH(g)+3H2O(g)

c(开始)mol/L 0.5 1.5 0 0

c(改变)mol/L 0.4 1.2 0.2 0.6

c(平衡)mol/L 0.1 0.3 0.2 0.6

则在该温度下达到化学平衡时,则反应的平衡常数是K==

(5)锂电极生成致密保护涂层实质上是锂失去电子,与熔融盐中的CO32-结合形成Li2CO3,因此锂电极的电极反应式为:2Li-2e-+CO32-=Li2CO3;利用一种钾盐水溶液作电解质,CO2电催化下,与溶液中的H+及水反应,被还原为乙烯,则在阴极上产生乙烯的电极反应式为2CO2+12H++12e-=CH2=CH2+4H2O

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计算CO2(g)+3H2(g) CH3OH(l)+ H2O(l)的反应热△H___________ kJmol

(2)下图是反应CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)COCH3OH(g)的物质的量浓度随时间(t)的变化曲线.从反应开始至达到平衡时,用H2表示的反应速率v(H2)=______________

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①能判断该反应达到化学平衡状态的是_____(填选项字母)

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BH2的体积分数不再改变

CH2的转化率和CO的转化率相等

D.混合气体的平均相对分子质量不再改变

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