Question

【题目】党的十九大报告中多次提及“绿色环保”、“生态文明”，而 CO2 的有效利用可以缓解温室效应，解决能源短缺问题。

(1)某研究所的科研人员在新型纳米催化剂 Na－Fe3O4 和 HMCM－22 的表面，以 CO2 为碳源，与电解水产生的 H2 催化转化为高附加值的烃类化合物，其过程如图。

图中 CO2 转化为 CO 的反应为：CO2(g) + H2(g)=CO(g) + H2O(g) ΔH1 = + 41 kJmol-1。已知：2CO2(g) + 6H2(g)=C2H4(g) + 4H2O(g) ΔH2=－128 kJmol-1。图中 CO 转化为 C2H4 的热化学方程式是__________________ 。

(2)甲醇是未来重要的绿色能源之一，在工业中常用 CO、H2 合成甲醇，其反应为：CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) ΔH3 < 0

①为了探究浓度对反应速率的影响，200℃ 时在 10 L 恒容密闭容器中进行实验，测得的实验数据如下表所示：

实验	起始浓度/(mol·L-1)		初始速率/(mol·L-1·min-1)
	CO	H2
1	0.25	0.50	0.391
2	0.25	1.00	0.781
3	0.50	0.50	0.780

该反应速率的通式为 v正=k正 cm(CO)cn(H2)(k 正是与温度有关的速率常数)。由表中数据可确定反应速率通式中 m =_______、n =_____(取正整数)。实验发现，当实验 1 中 c(H2) = 0.25 molL－1时达到平衡，请计算该反应的平衡常数 K = _____。

②若将一定比例的 CO 和 H2 在装有催化剂的反应器中反应 12 小时，体系中甲醇的产率和催化剂的催化活性与温度的关系如图所示。

请判断温度为 470 K 时，图中 P 点 _________(填“是”或“不是”)处于平衡状态，490 K 之后，甲醇产率随温度升高而减小的可能原因为：_____、 _____。

(3)近年来，有研究人员用 CO2 通过电催化生成多种燃料，其工作原理如图所示。

①请写出 Cu 电极上产生 CH3OH 的电极反应式：_____________。

②如果Cu 电极上只生成 0.15 mol C2H4 和 0.30 mol CH3OH，则 Pt 电极上产生O2 的物质的量为 ___________mol。

③已知 HCOOH 为一元弱酸，常温下将 0.1 molL－1 HCOOH 溶液与 0.1 molL－1 NaOH 溶液按体积比 a : b混和(忽略溶液体积的变化)，混合后溶液恰好显中性，则 HCOOH 的电离常数 Ka=_____________(用含 a、b 的代数式表示)。

Answer 1

【答案】2CO(g) +4H2(g) = C2H4(g) + 2H2O(g) △H= - 210 kJ/mol 1 1 16 不是 升高温度，反应逆向移动 催化剂活性降低 CO2+6H++6e-= CH3OH+H2O 0.675

【解析】

(1)根据盖斯定律计算；

(2)①将表格数据代入公式，利用待定系数法求解；通过三段式计算平衡常数；

②根据图示和影响反应速率因素作答；

(3)①铜电极为阴极，得电子发生还原反应；

②根据电路中电子守恒进行计算；

③HCOOH的电离常数K=，据此进行计算。

(1)图中CO2转化为CO的反应为： CO2(g)+H2(g) = CO(g)+H2O(g) △H= +41kJ/mol，已知：2CO2(g) + 6H2(g) = C2H4(g) + 4H2O(g) △H= -128kJ/mol，将第二个方程式减去第一个方程式的2倍得到CO转化为C2H4的热化学方程式：2CO(g) +4H2(g) = C2H4(g) + 2H2O(g) △H= - 210 kJ/mol，故答案为：2CO(g) +4H2(g) = C2H4(g) + 2H2O(g) △H= - 210 kJ/mol；

(2) ①v正=k正 cm(CO)cn(H2)可知实验1中，0.391mol/(L·min)= k正×(0.25mol/L)m×(0.50mol/L)n；实验2中：0.781mol/(L·min)= k正×(0.25mol/L)m×(1.00mol/L)n；实验2中：0.780mol/(L·min)= k正×(0.50mol/L)m×(0.50mol/L)n；则2/1可得2=2n，即n=1；3/1得2=2m，则m=1；当实验 1 中 c(H2) = 0.25 mol·L－1时达到平衡，通过三段式计算有，平衡常数 K ==16，故答案为：1；1；16；

②温度为470K时，图中P点不是处于平衡状态；在490K之前，甲醇产率随着温度升高而增大的原因是温度越高化学反应速率越快，490K之后，甲醇产率下降的原因是升高温度，反应逆向移动、催化剂活性降低，故答案为：不是；升高温度，反应逆向移动；催化剂活性降低；

(3)①铜电极与电源负极相连为阴极，CO2得电子被还原生成CH3OH，根据电荷守恒元素守恒可知电极反应方程式为：CO2+6H++6e-= CH3OH+H2O，故答案为：CO2+6H++6e-= CH3OH+H2O；

②C2H4和CH3OH中碳均为-2价，CO2转化成C2H4和CH3OH化合价均降低6价，所以生成0.15molC2H4和0.30 molCH3OH时转移的电子为2.7mol，则生成的氧气为=0.675mol，故答案为：0.675；

③混合后溶液呈中性，所以c(H+)= c(OH-)=10-7mol/L，根据电荷可知c(HCOO-)=c(Na+)=，根据物料守恒有：c(HCOO-)+ c(HCOOH)= ，所以c(HCOOH)= ，电离平衡常数Ka=，故答案为：。