题目内容

【题目】CO2的转化和重整受到越来越多的关注,它是有效应对全球气候变化、促进低碳社会构建的重要方法。

(1)热化学转化法。

CO2催化加氢合成CH4,其过程中主要发生下列反应:

反应Ⅰ:CH4(g)+2O2(g)=CO2(g)+2H2O(g);ΔH=-890.3 kJ·mol-1

反应Ⅱ:CO(g)+H2O (g)=CO2(g)+H2(g);ΔH=+2.8 kJ·mol-1

反应Ⅲ:2CO(g)+O2(g)=2CO2(g);ΔH=-566.0 kJ·mol-1

则反应CO2(g)+4H2(g)=CH4(g)+2H2O(g) 的ΔH=________kJ·mol-1。

(2)CO2催化还原法。

图1表示的是利用CO2的“直接电子传递机理”。在催化剂铜的表面进行转化。当有1 mol CO2反应时,直接传递的电子物质的量为________mol。

(3)CO2电化学催化重整法。

①图2表示以KOH溶液作电解质溶液进行电解的示意图,CO2在Cu电极上可以转化为CH4,该电极反应的方程式为______________________,电解一段时间后,阳极区溶液pH减小,其原因是__________________。

②CO2与CH4在催化剂作用下合成乙酸,反应的化学方程式为________。

(4)CO2与丙烯通过金属杂多酸盐[CoxH(3-2x)PW12O40] 催化合成甲基丙烯酸。

①研究发现金属杂多酸盐中x对CO2转化率的影响如图3所示,由图3得出催化效果最好的金属杂多酸盐化学式是________。

②催化剂在温度不同时对CO2转化率的影响如图4所示,300 ℃催化效果远不如200 ℃ 和250 ℃的原因为__________________________________。

【答案】-252.9 6 CO2+8e-+6H2O=CH4+8OH- OH-在阳极被氧化生成O2 CH4+CO2CH3COOH [Co0.5H2PW12O40]或[CoH4P2W24O80] 温度过高,可能会导致催化剂失活

【解析】

(1)根据盖斯定律可知-反应Ⅰ-4×反应Ⅱ+2×反应Ⅲ即可得到CO2(g)+4H2(g)=CH4(g)+2H2O(g),据此计算ΔH;

(2)由图1可知CO2在催化剂铜的表面进行转化最终生成的产物是C2H4,根据发生的氧化还原反应确定传递的电子的量;

(3)①由图2可知,Cu与电源的负极相连,为阴极,阴极发生了还原反应;在阳极区OH-在被氧化生成O2;

②CO2与CH4在催化剂作用下发生化合反应生成乙酸;

(4)①由图3可知,当x=0.5时,CO2的转化率最大,催化效果最好,由此可确定金属杂多酸盐化学式;

②当处于过高的温度时,催化剂会失去催化活性。

(1)根据盖斯定律可知-反应Ⅰ-4×反应Ⅱ+2×反应Ⅲ即可得到CO2(g)+4H2(g)=CH4(g)+2H2O(g),ΔH=-(-890.3 kJ·mol-1)-4×(2.8 kJ·mol-1)+2×(-566.0 kJ·mol-1)=-252.9 kJ·mol-1;

(2)由图1可知CO2在催化剂铜的表面进行转化最终生成的产物是C2H4,根据发生的氧化还原反应可的关系:2CO2~C2H4~12e-,因此当有1 mol CO2反应时,直接传递的电子物质的量为6mol;

(3)①由图2可知,Cu与电源的负极相连,为阴极,阴极发生了还原反应,电极反应为:CO2+8e-+6H2O=CH4+8OH-;OH-在阳极被氧化生成O2,因此阳极区溶液的pH减小;

②CO2与CH4在催化剂作用下发生化合反应生成乙酸,反应方程式为:CH4+CO2CH3COOH;

(4)①由图3可知,当x=0.5时,CO2的转化率最大,催化效果最好,因此金属杂多酸盐化学式为Co0.5H2PW12O40或CoH4P2W24O80;

②当处于过高的温度时,催化剂会失去催化活性,因此300 ℃催化效果远不如200 ℃和250 ℃。

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