Question

【题目】CO2和CH4是两种主要的温室气体。以CH4和CO2为原料制造更高价值的化学产品是用来缓解温室效应的研究方向，回答下列问题。

(1)研究表明CO2和H2在催化剂存在下可发生反应生成CH3OH。

已知：①CH3OH(g) + 3/2 O2(g) = CO2(g) + 2H2O(l) H1= a kJ/mol②H2(g) + 1/2 O2(g) = H2O(l) H2= b kJ/mol ③H2O(g) = H2O(l) H3= c kJ/mol，则CO2和H2反应生成CH3OH和水蒸气的热化学方程式为_____。

(2)用Cu2Al2O4作催化剂制备乙酸。已知：CO2（g）+CH4（g） CH3COOH(g) H2=akJ/mol。

①各物质相对能量大小如图所示，则a=___。

②该反应的速率方程可表示为：v(正)=k正c(CO2)c(CH4)和v(逆)=k逆c(CH3COOH)，k正和k逆在一定温度时为常数，分别称作正，逆反应速率常数，请写出用k正，k逆表示的平衡常数的表达式K=___。

(3)将CO2和CH4在一定条件下反应可制得工业合成气，在1 L 密闭容器中通入CH4与CO2，使其物质的量浓度为1.0 mol/L，在一定条件下发生反应：CH4(g) + CO2(g) 2CO(g) + 2H2(g)，测得CH4的平衡转化率与温度及压强的关系如下图所示：

则：

①压强P1，P2，P3，P4由大到小的关系为___。

②对于气相反应，用某组分(B)的平衡压强p(B)代替物质的量浓度c(B)也可表示平衡常数(记作Kp)，如果P4=2 MPa，求x点的平衡常数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下列措施中能使平衡体系中c(CO)/c(CO2)减小的是__。

A．升高温度 B．增大压强

C．保持温度、压强不变，充入He D．恒温、恒容，再充入1 mol CO2和1 mol CH4

(4)科学家还研究了其他转化温室气体的方法，利用下图所示装置可以将CO2转化为气体燃料CO(电解质溶液为稀硫酸)，该装置工作时，N___极的电极反应式为______，若导线中通过电子为a mol，则M极电解质溶液中H+改变量为___mol，N极电解质溶液m=__g。

Answer 1

【答案】CO2(g) +3H2(g）CH3OH(g) +H2O(g) H=（3b-a-c）kJ/mol E2-E1 P4>P3>P2>P1 (MPa)2 BD 正 CO2+2H++2e-=CO+H2O 0 9a

【解析】

(1)根据盖斯定律进行分析；

(2)①根据图示可知，该反应为吸热反应，H2=生成物总能量-反应物总能量；

②CO2（g）+CH4（g） CH3COOH(g)，平衡常数的表达式K=c(CH3COOH)/c(CH4)c(CO2)；反应达到平衡后，v(正)= v(逆)，据此可以求出K。

(3) ①该反应正反应是气体体积增大的反应，增大压强平衡向逆反应进行,甲烷的转化率降低，据此分析压强的大小；

②对于气相反应，用某组分(B)的平衡压强P(B)代替物质的量浓度c（B）也可表示平衡常数(记作KP)，则该反应的平衡常数的表达式；结合化学平衡三段式列式计算；

③从图示可知，温度升高，甲烷的转化率增大，所以CH4(g) + CO2(g) 2CO(g) + 2H2(g)，反应为吸热反应；根据平衡移动规律进行分析；

(4)根据装置中电子流向知，M是负极，N是正极；正极反应式为：CO2+2H++2e-=CO+H2O；M电极反应为：2H2O-4e-=O2+4H+，总反应式为：2CO2= 2CO+ O2；根据导线中通过电子为a mol，分析M极电解质溶液中H+改变量、N极电解质溶液m。

(1)已知①CH3OH(g) + 3/2 O2(g) = CO2(g) + 2H2O(l) H1= a kJ/mol；②H2(g) + 1/2 O2(g) = H2O(l) H2= b kJ/mol ；③H2O(g) = H2O(l) H3= c kJ/mol，根据盖斯定律知, ②×3-①-③得：CO2(g) +3H2(g）CH3OH(g) +H2O(g) H=（3b-a-c）kJ/mol；

故答案是: CO2(g) +3H2(g）CH3OH(g) +H2O(g) H=（3b-a-c）kJ/mol；

(2)①根据图示可知，该反应为吸热反应，H2=生成物总能量-反应物总能量 = E2-E1=a kJ/mol；

故答案是：E2-E1；

②CO2（g）+CH4（g） CH3COOH(g)，平衡常数的表达式K=c(CH3COOH)/c(CH4)c(CO2)；反应达到平衡后，v(正)= v(逆)，所以k正c(CO2)c(CH4)= k逆c(CH3COOH)，因此= c(CH3COOH)/c(CH4)c(CO2)= K；

故答案是：；

(3) ①由图可以知道,温度一定时,甲烷的转化率α(P1)> α(P2)> α(P3) >α(P4)，该反应正反应是气体体积增大的反应,增大压强平衡向逆反应进行,甲烷的转化率降低,故压强P4>P3>P2>P1；

故答案是: P4>P3>P2>P1；

②对于气相反应,用某组分(B)的平衡压强P(B)代替物质的量浓度c（B）也可表示平衡常数(记作KP)，则该反应的平衡常数的表达式；结合化学平衡三段式列式计算,设体积为1L，a点甲烷转化率为50%；

CH4(g) + CO2(g) 2CO(g) + 2H2(g)

起始量（mol） 1 1 0 0

变化量（mol） 0.5 0.5 1 1

平衡量（mol） 0.5 0.5 1 1

平衡气体总物质的量=3mol，如果P4=2 MPa，用平衡分压代替平衡浓度计算，分压=总压×物质的量分数，则a点的平衡常数KP=[(2×1/3)2×(2×1/3)2]÷(2×0.5/3)2=(MPa)2 ；

故答案是: (MPa)2 ；

③从图示可知，温度升高，甲烷的转化率增大，所以CH4(g) + CO2(g) 2CO(g) + 2H2(g)，反应为吸热反应；

A．升高温度，平衡右移，c(CO2)减小，c(CO)增大，所以c(CO)/c(CO2)增大，故A错误；

B．该反应正反应是气体体积增大的反应,增大压强平衡向逆反应进行，c(CO2)增大，c(CO)减小，所以c(CO)/c(CO2)减小，故B正确；

C．保持温度、压强不变，充入He，气体体积增大，平衡向右移动，c(CO2)减小，c(CO)增大，所以c(CO)/c(CO2)增大，故C错误；

D．恒温、恒容，再充入1 mol CO2和1 mol CH4，与原平衡相比等效于加压过程，平衡左移，c(CO2)增大，c(CO)减小，所以c(CO)/c(CO2)减小，故D正确；

故答案是：BD。

(4)该装置中，根据电子流向知，M是负极，N是正极；正极发生还原反应，反应式为：CO2+2H++2e-=CO+H2O；M电极反应为：2H2O-4e-=O2+4H+，总反应式为：2CO2= 2CO+ O2；故导线中通过电子为a mol，则M极电解质溶液中H+改变量为amol；根据CO2+2H++2e-=CO+H2O反应可知，导线中通过电子为a mol时， N极电解质溶液增加量为m=（22a+a）-14a=9ag；

故答案是：正；CO2+2H++2e-=CO+H2O；0；9a。