题目内容
【题目】CO2是一种廉价的碳资源，其综合利用具有重要意义。回答下列问题：
(1)CO2可以被NaOH溶液捕获。若所得溶液pH=13，CO2主要转化为__________(写离子符号)；若所得溶液pH=10，溶液中c(HCO3-)∶c(CO32-)__________。(室温下，H2CO3的K1=4×10-7；K2=5×10-11）
(2)CO2与CH4经催化重整不仅可以制得合成气，还对温室气体的减排具有重要意义。催化重整反应为：CH4(g)+CO2(g) 
2CO(g)+2H2(g)。
已知：C(s)+2H2(g)=CH4(s) △H=-75kJ·mol-1
C(s)+O2(g)=CO2(s) △H=-394kJ·mol-1
C(s)+ 
O2(g)=CO(s) △H=-111kJ·mol-1
①该催化重整反应的△H=__________。有利于提高CH4平衡转化率的条件是__________(填标号)。
A 低温低压 B 低温高压 C 高温低压 D 高温高压
某温度下，在体积为2L的容器中加入2mol CH4、1molCO2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反应中催化剂活性会因积碳反应而降低，同时存在的消碳反应则使积碳量减少。相关数据如下表：
积碳反应 CH4(g)= C(s)+ 2H2(g) | 消碳反应 CO2(g)+C(s)=2CO(g) | ||
△H/kJ·mol-1 | 75 | 172 | |
活化能/kJ·mol-1 | 催化剂X | 33 | 91 |
催化剂Y | 43 | 72 | |
由上表判断，催化剂X__________Y(填“优于”或“劣于”)，理由是：__________________。
(3)在固态金属氧化物电解池中，高温共电解H2O-CO2混合气体制备H2和CO是一种新的能源利用方式，基本原理如图所示：
①X是电源的__________极(填“正”或“负”)。
②阴极的电极反应式是：H2O+2e-=H2+O2- 、CO2+2e-=CO+O2-
则总反应可表示为__________。
【答案】
+247kJ/mol C 
劣于 相对于催化剂X，催化剂Y积碳反应的活化能大，积碳反应的速率小，催化剂Y消碳反应活化能相对小，消碳反应速率大，因此催化剂X较催化剂Y更利于积碳反应，不利于消碳反应，会降低催化剂活性 负 H2O+CO2
H2+CO+O2
【解析】
(1)根据K2=
结合溶液的pH分析解答；
(2)①根据盖斯定律分析计算△H；要提高CH4平衡转化率应该使平衡正向移动，但是不能通过增大甲烷浓度实现；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，根据三段式分析解答化学平衡常数；
②消碳反应越容易发生，催化剂活性越好，消碳反应所需活化能越低，消碳反应越容易进行；
(3)①电解池阳极发生氧化反应，阴极发生还原反应，根据与X极相连的电极产生的气体判断；
②电解H2O-CO2混合气体制备H2和CO，根据图示知：阴极产生H2、CO，阳极产生氧气，据此书写总反应方程式。
(1)K2==5×10-11，当c(HCO3-)=c(CO32-)，c(H+)=5×10-11，pH=10.3，如果溶液的pH=13，则c(HCO3-)远远小于c(CO32-)，CO2主要转化为CO32-；若所得溶液pH=10，c(H+)=1×10-10，则c(HCO3-)＞c(CO32-)，K2==
=5×10-11，解得
=
，故答案为：CO32-；；
(2)①C(s)+2H2(g)═CH4(g)△H=-75kJmol-1，②C(s)+O2(g)=CO2(g) △H=-394kJmol-1，③C(s)+
O2(g)=CO(g)△H=-111kJmol-1，根据盖斯定律，将方程式2×③-①-②得CH4(g)+CO2(g)═2CO(g)+2H2(g)，△H=2×(-111kJmol-1)-(-75kJmol-1)-(-394kJmol-1)=+247kJ/mol；要提高CH4平衡转化率应该使平衡正向移动，但是不能通过增大甲烷浓度实现，该反应的正反应是一个反应前后气体体积增加的吸热反应，升高温度、减小压强能使平衡正向移动，增大甲烷转化率，故选C；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 0.5 0 0
反应(mol/L)0.25 0.25 0.5 0.5
平衡(mol/L)0.75 0.25 0.5 0.5
化学平衡常数K=
=
=
，故答案为：+247；C；；
②根据表中数据知，相对于催化剂X，催化剂Y积碳反应的活化能大，积碳反应的速率小，催化剂Y消碳反应活化能相对小，消碳反应速率大，因此催化剂X较催化剂Y更利于积碳反应，不利于消碳反应，会降低催化剂活性，故答案为：劣于；相对于催化剂X，催化剂Y积碳反应的活化能大，积碳反应的速率小，催化剂Y消碳反应活化能相对小，消碳反应速率大，因此催化剂X较催化剂Y更利于积碳反应，不利于消碳反应，会降低催化剂活性；
(3)①根据图示知：与X相连的电极产生CO，电解H2O-CO2混合气体，二氧化碳得到电子生成一氧化碳，发生还原反应，电解池阴极发生还原反应，所以X是电源的负极，故答案为：负；
②电解池阴极发生还原反应，电解H2O-CO2混合气体制备H2和CO，阴极：水中的氢原子得到电子生成氢气，H2O+2e-═H2↑+O2-，二氧化碳得到电子生成一氧化碳，CO2+2e-═CO+O2-，电解H2O-CO2混合气体制备H2和CO，根据图示知：阴极产生H2、CO，阳极产生氧气，所以总反应为：H2O+CO2H2+CO+O2，故答案为：H2O+CO2H2+CO+O2。
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