题目内容
【题目】碳基能源的大量消耗使大气中CO2浓度持续不断地增加，以CO2为原料加氢合成，甲烷等能源物质具有较好的发展前景。回答下列问题：
(1)CO2催化(固体催化剂)加氢合成甲烷过程发生以下两个反应：
主反应：CO2(g)+4H2(g)
CH4(g)+2H2O(g) △H1=akJ·mol-1
副反应：CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g) △H2=41.1kJ·mol-1
已知相关的化学键键能数据如下：
则a=___。加氢合成甲烷时，通常控制温度为500℃，不能过高也不宜过低的原因是___。
(2)为了提高CO2加氢制CH4过程中CH4选择性(CH4选择性=
×100%)，主要是通过对催化剂的合理选择来实现。
①CO2加氢制CH4的一种催化机理如图，下列说法正确的是___(填标号)。
A.催化过程使用的催化剂为La2O3和La2O2CO3
B.La2O2CO3可以释放出CO2*(活化分子)
C.H2经过Ni活性中心裂解产生活化态H*的过程为放热过程
D.CO2加氢制CH4的过程需要La2O3和Ni共同催化完成
②保持500℃不变，向1L密闭容器中充入4molCO2和12molH2发生反应，若初始压强为p，20min后，主、副反应都达到平衡状态，测得此时c(H2O)=5mol·L-1，体系压强变为0.75p，则主、副反应的综合热效应为___，v(CH4)=___mol·L-1·min-1，CH4选择性=___(保留三位有效数字)，主反应的平衡常数K=___。
(3)CO2的光电催化反应器如图所示。以TiO2为阳极，通过光解水产生电子和质子，而后传递到阴极(Pt/CNT)诱导阴极催化还原CO2制得异丙醇。
①阴极常伴有析氢等副反应发生，为此选用了电化学催化剂，其依据是___。
②阴极生成异丙醇的电极反应为___。
【答案】-156.9 温度低于500℃，反应速率低，温度高于500℃，平衡向生成CO的方向移动程度增大，都不利于甲烷的生成 BD 放出272.7kJ 0.1 66.7% 
(或0.62) 催化剂具有较高的催化活性和产物选择性，能抑制析氢反应 3CO2+18H++18e-=CH3CH(OH)CH3+5H2O
【解析】
(1)根据△H=反应物的总键能-生成物的总键能计算a值；温度及影响反应进行的快慢，还影响平衡移动的方向；
(2)①A．根据CO2加氢制CH4的催化机理图示，催化过程使用的催化剂为La2O3，La2O2CO3为中间产物；
B．根据图示，La2O2CO3可以释放出CO2*(活化分子)；
C．H2经过Ni活性中心裂解产生活化态H*的过程为断开化学键的过程；
D．根据图示，La2O3是将CO2转化为CO2*(活化分子)的催化剂，Ni是将H2转化为活化态H*的催化剂；
②设平衡时生成CH4的物质的量为xmol，根据主反应CO2(g)+4H2(g)
CH4(g)+2H2O(g)，生成2xmol H2O(g)，消耗xmol CO2和4xmol H2，设平衡时生成CO的物质的量为ymol，根据副反应CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)，生成ymol H2O(g)，消耗ymol CO2和ymol H2，则平衡时剩余CO2的物质的量=(4-x-y)mol，剩余H2的物质的量=(12-4x-y)mol，生成水蒸汽的物质的量为(2x+y)mol，由题意平衡时测得c(H2O)=5mol·L-1，即n(H2O)=5mol，则2x+y=5；相同条件下，压强之比等于物质的量之比，则
，解出x、y，再根据题意分别计算解答；
(3)①催化剂对产物的生成具有选择性，可防止副反应的发生；
②根据题意，结合图示与电源a极相连的为电解池的阴极，阴极得电子，发生还原反应，CO2中C元素的化合价为+4价，异丙醇(CH3CH(OH)CH3)中C元素的化合价为-2价，氢离子向阴极移动，据此分析书写电极反应式。
(1)已知副反应：CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)，△H2=41.1kJ·mol-1=反应物的总键能-生成物的总键能=E(CO2)+436kJ·mol-1-1076kJ·mol-1-2×463kJ·mol-1，则二氧化碳总键能E(CO2)= 41.1kJ·mol-1-436kJ·mol-1+1076kJ·mol-1+2×463kJ·mol-1=1607.1 kJ·mol-1；主反应CO2(g)+4H2(g)CH4(g)+2H2O(g)，△H1=akJ·mol-1=反应物的总键能-生成物的总键能=436 kJ·mol-1×4+1607.1 kJ·mol-1-4×414 kJ·mol-1-4×463 kJ·mol-1=-156.9 kJ·mol-1，则a=-156.9；温度及影响反应进行的快慢，还影响平衡移动的方向，加氢合成甲烷时，温度低于500℃，反应速率低，温度高于500℃，对于副反应CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)，正反应吸热，平衡向生成CO的方向移动程度增大，都不利于甲烷的生成；
(2)①A．根据CO2加氢制CH4的催化机理图示，催化过程使用的催化剂为La2O3，La2O2CO3为中间产物，故A错误；
B．根据图示，La2O2CO3可以释放出CO2*(活化分子)，故B正确；
D．根据图示，La2O3是将CO2转化为CO2*(活化分子)的催化剂，Ni是将H2转化为活化态H*的催化剂，则加氢制CH4的过程需要La2O3和Ni共同催化完成，故D正确；
答案选BD；
②保持500℃不变，向1L密闭容器中充入4molCO2和12molH2发生反应，若初始压强为p，20min后反应都达到平衡状态，体系压强变为0.75p，设平衡时生成CH4的物质的量为xmol，根据主反应CO2(g)+4H2(g)CH4(g)+2H2O(g)，生成2xmol H2O(g)，消耗xmol CO2和4xmol H2，设平衡时生成CO的物质的量为ymol，根据副反应CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)，生成ymol H2O(g)，消耗ymol CO2和ymol H2，则平衡时剩余CO2的物质的量=(4-x-y)mol，剩余H2的物质的量=(12-4x-y)mol，生成水蒸汽的物质的量为(2x+y)mol，由题意平衡时测得c(H2O)=5mol·L-1，即n(H2O)=5mol，则2x+y=5；相同条件下，压强之比等于物质的量之比，则，
，解得x=2，根据2x+y=5可得y=1；根据主反应CO2(g)+4H2(g)CH4(g)+2H2O(g)△H1=-156.9 kJ·mol-1可得，生成1mol CH4放出的热量为156.9kJ，结合上述分析，达到平衡时生成2mol CH4，则放出的热量=156.9kJ×2=313.8kJ，根据副反应：CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g) △H2=41.1kJ·mol-1可知，生成1mol CO吸收41.1kJ的热量，结合上述分析，达到平衡时生成1mol CO，则吸收41.1kJ的热量，因此主、副反应的综合热效应为放热，放出的热量=313.8kJ-41.1kJ=272.7kJ；达到平衡时甲烷的物质的量变化量为2mol，则v(CH4)=
=0.1mol·L-1·min-1；根据上述分析，CH4的平衡浓度为
=2mol/L，CO2的转化浓度为
=3mol/L，则CH4选择性=
×100%=
×100%=66.7%；主反应CO2(g)+4H2(g)CH4(g)+2H2O(g)的平衡常数K=
=(或0.62)；
(3)①阴极常伴有析氢等副反应发生，为此选用了电化催化剂，其依据是催化剂具有较高的催化活性和产物选择性，能抑制析氢反应发生；
②电解池的阴极得电子，发生还原反应，CO2中C元素的化合价为+4价，异丙醇(CH3CH(OH)CH3)中C元素的化合价为-2价，生成1mol异丙醇(CH3CH(OH)CH3)转移18mole-，则结合图示，阴极生成异丙醇的电极反应为3CO2+18H++18e-=CH3CH(OH)CH3+5H2O。
挑战100单元检测试卷系列答案
【题目】下列各组离子中，能大量共存且加入(或通入)X试剂后发生反应的离子方程式对应正确的是
选项 | 离子组 | 试剂X | 离子方程式 |
A | Fe3+、Al3+、 | 过量的盐酸 |
|
B | 透明溶液中：Fe3+、 | 过量的铜粉 | 2Fe3++Cu═2Fe2++Cu2+ |
C | Na+、Ba2+、 | NaHSO4溶液 | H++ |
D | pH=1的溶液中：Mg2+、Fe2+、 | 双氧水 | 2Fe2++H2O2+2H+═2Fe3++2H2O |
A.AB.BC.CD.D
