题目内容
【题目】CO2是目前大气中含量最高的一种温室气体,中国政府承诺,到2020年,单位GDP二氧化碳排放比2005年下降40%~50%。CO2的综合利用是解决温室问题的有效途径。
(1)研究表明CO2和H2在催化剂存在下可发生反应生成CH3OH。己知部分反应的热化学方程式如下:
CH3OH(g)+
O2(g) =CO2(g)+2H2O(1) △H1=akJmol-1
H2(g)+
O2(g) =H2O(1) △H2=bkJmol-1
H2O(g) = H2O(l) △H3=ckJmol-1
则 CO2(g)+3H2(g)
CH3OH(g)+H2O(g) △H=__________kJmol-1
(2)为研究CO2与CO之间的转化,让一定量的CO2与足量碳在体积可变的密闭容器中反应:C(s)+CO2(g)
2CO(g)
H,反应达平衡后,测得压强、温度对CO的体积分数(φ(CO)%)的影响如图所示。
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回答下列问题:
①压强p1、p2、p3的大小关系是________;Ka 、 Kb 、 Kc 为a、b、c三点对应的平衡常数,则其大小关系是_________。
②900℃、1.0 MPa时,足量碳与a molCO2反应达平衡后,CO2的转化率为___________ (保留三位有效数字),该反应的平衡常数Kp=_________(用平衡分压代替平衡浓度计算,分压=总压×物质的量分数)。
(3)① 以二氧化钛表面覆盖Cu2Al2O4 为催化剂,可以将CO2 和CH4 直接转化成乙酸,CO2(g)+CH4(g)
CH3COOH(g)。在不同温度下催化剂的催化效率与乙酸的生成速率如右图所示。250~300 ℃时,乙酸的生成速率降低的主要原因是_____________; 300~400℃时,乙酸的生成速率升高的主要原因是___________。
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② 为了提高该反应中CO2的转化率,可以采取的措施是_____(写一条即可)。
(4)以铅蓄电池为电源可将CO2转化为乙烯,其原理如图所示,电解所用电极材料均为惰性电极。阴极上的电极反应式为___________;每生成0.5mol乙烯,理论上需消耗铅蓄电池中_____mol硫酸。
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【答案】(3b-a-c ) p1<p2<p3 Ka=Kb<Kc 66.7% (或0.667) 3.2 MPa 催化剂的催化效率降低 温度升高,化学反应速率加快 增大反应体系压强或增大CH4的浓度或将乙酸液化分离出来 2CO2+12H++12e-=C2H4+4H2O 6
【解析】
本题需要根据盖斯定律进行计算△H,且根据三段式进行分析计算,压强之比等于物质的量之比。根据图像分析出反应C(s)+CO2(g)
2CO(g)减小压强反应向正方向进行,正反应为吸热反应,
H>0。在不同温度下催化剂的催化效率与乙酸的生成速率,温度超过250℃时,催化剂的催化效率降低,在300℃时失去活性,所以温度高于300℃时,乙酸的生成速率升高是由温度升高导致的,根据此分析进行解答。
(1)已知①CH3OH(g)+
O2(g) =CO2(g)+2H2O(1) △H1=akJmol-1
②H2(g)+
O2(g) =H2O(1) △H2=bkJmol-1
③H2O(g) = H2O(l) △H3=ckJmol-1
则根据盖斯定律,由3②-①-③可得到 CO2(g)+3H2(g)
CH3OH(g)+H2O(g),故△H= (3b-a-c ) kJmol-1。
故答案为(3b-a-c )
(2)①对于反应C(s)+CO2(g)
2CO(g)减小压强反应向正方向进行,由图可知相同温度时P1时的CO体积分数大于P2大于P3 故p1<p2<p3,相同压强时比较温度对反应的影响,同一压强下增大温度,CO的体积分数会增大,故正反应为吸热反应,
H>0,平衡常数只受反应温度影响,故在700℃下,Ka=Kb,c点的温度高于a点和b点,温度升高反应正向进行故Ka=Kb<Kc。
②若起始压强为P0,达到平衡转化率为α,
C(s)+CO2(g)
2CO(g)
起始(mol) a 0
变化(mol) m 2m
平衡(mol) a-m 2m
故
,
,故CO2的转化率为
≈66.7% (或0.667)。
压强之比等于物质的量之比,则反应的平衡常数Kp=![]()
故答案为 p1<p2<p3 Ka=Kb<Kc 66.7% (或0.667) 3.2 MPa
(3)①如图为不同温度下催化剂的催化效率与乙酸的生成速率的关系,温度超过250℃时,催化剂的催化效率降低,在300℃时失去活性,所以温度高于300
②为了提高该反应中CO2的转化率即使反应正向进行,可以增大压强或增大CH4的浓度或将乙酸液化分离出来。
故答案为 催化剂的催化效率降低 . 温度升高,化学反应速率加快 增大反应体系压强或增大CH4的浓度或将乙酸液化分离出来
(4)电解时,阴极得电子,发生还原反应,电极反应式是2CO2+12H++12e-=C2H4+4H2O。每生成0.5mol乙烯,消耗12molH+,故消耗6mol硫酸。
故答案为 催化剂的催化效率降低 . 温度升高,化学反应速率加快 增大反应体系压强或增大CH4的浓度或将乙酸液化分离出来
故答案为 2CO2+12H++12e-=C2H4+4H2O 6