Question

【题目】如何降低大气中CO2的含量及有效地开发利用CO2是当前科学家研究的重要课题。

(1)利用H2和CO2生产甲醇燃料。为探究该反应原理，进行如下实验：某温度下，在容积为2 L的密闭容器中充入1 mol CO2和3.25 molH2，在一定条件下反应，测得CO2、CH3OH(g)和H2O(g)的物质的量(n)随时间的变化关系如图所示。

①从反应开始到3min时，氢气的平均反应速率v(H2)=_________。

②下列措施中一定能使CO2的转化率增大的是____________。

A.在原容器中再充入1 molCO2 B.在原容器中再充入1molH2

C.在原容器中充入1 molHe D.使用更有效的催化剂

E.缩小容器的容积 F.将水蒸气从体系中分离出

(2)利用氢气在一定条件下与二氧化碳反应生成乙醇燃料，其热化学反应方程式为2CO2(g)＋6H2(g)CH3CH2OH(g)＋3H2O(g)　ΔH=akJ/mol，在一定条件下，测得该反应达到平衡状态时的实验数据如表所示。请根据表中数据回答下列问题。

温度(K) CO 2转化率/ (%)	500	600	700	800
1.5	45	33	20	12
2	60	43	28	15
3	80	61	35	21

①上述反应的a________0（填“大于”或“小于”）。该反应自发的条件是__________（填“高温”，“低温”，或“任意温度”）。

②恒温下，向反应体系中加入固体催化剂，则反应产生的热量________(填“增大”、“减小”或“不变”)。

③在2L密闭容器中充入1molCO2，在 =3，500K的温度下达到化学平衡时，则反应的平衡常数是_______________。

(3)锂空气电池是前景很广的新颖电池，但锂和空气中的氮气、二氧化碳、水蒸气等发生副反应是锂-空气电池的致命缺陷。所以应在锂金属电极上加一个保护层。该技术的核心是锂表面增加了一层由碳酸锂/碳（Li2CO3/C）组成的致密的保护性涂层。涂层的过程：利用熔融碳酸盐作电解质，直接由锂金属电极与二氧化碳通过 10 次充放电循环，在电极的表面进行化学反应来完成。写出锂电极生成致密保护涂层的电极反应式___________________。利用一种钾盐水溶液作电解质，CO2电催化还原为乙烯，如图所示。在阴极上产生乙烯的电极反应式为_________________。

Answer 1

【答案】0.25mol/(L·min) BEF 小于 低温 不变 2Li-2e-+CO32-=Li2CO3 2CO2+12H++12e-=CH2=CH2+4H2O

【解析】

(1)①根据题目内容可知，该工业方法制取甲醇为二氧化碳与氢气反应生成甲醇和水；根据三段式计算出反应混合物各组分的浓度变化量、平衡时的浓度，根据v=，计算出v(H2)；

②CO2的转化率增大，平衡正向移动，根据影响平衡移动的外界因素可以作判断；

(2)①依据图表数据分析二氧化碳转化率随温度升高减小，结合平衡移动原理得到反应能量变化；

②催化剂对化学平衡没有影响，所以加入催化剂，平衡不移动，反应反应热不变；

③根据物质的浓度、反应温度及CO2的转化率，结合平衡常数的含义计算该温度下的化学平衡常数；

(5)锂电极生成致密保护涂层实质上是锂失去电子，与熔融盐中的CO32-结合形成Li2CO3；CO2在钾盐的水溶液中获得电子，被还原变为乙烯。

(1)①该工业方法制取甲醇原理为二氧化碳与氢气反应生成甲醇和水，反应方程式为CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)，根据反应方程式可知，在3min时，CH3OH(g)的物质的量变化了0.5mol，△c(CH3OH)==0.25mol/L，V(CH3OH)==mol/(Lmin)，根据方程式可知V(H2)=3V(CH3OH)=3×mol/(Lmin)= 0.25mol/(L·min)；

②CO2的转化率增大，平衡正向移动，根据影响平衡移动的外界因素可以作判断；

A.在原容器中再充入1mol CO2，CO2的总物质的量在增加，虽然平衡在正向移动，根据勒夏特列原理可知，CO2的转化率减小，A错误；

B.在原容器中再充入1mol H2，平衡正向移动，CO2的转化率增大，B正确；

C.在原容器中充入1mol He，体积没有变化，各成分浓度不变，平衡不移动，C错误；

D.使用更有效的催化剂，对化学平衡的移动没有影响，D错误；

E.缩小容器的容积，相当于加压，由于该反应是气体体积减小的反应，所以平衡正向移动，CO2的转化率增大，E正确；

F.将水蒸气从体系中分离出，减小生成物浓度，平衡正向移动，CO2的转化率增大，F正确；

故合理选项是BEF；

(2)①由图表分析判断，随温度升高，二氧化碳转化率减小，说明升高温度，化学平衡逆向进行，逆反应方向是吸热反应，则正反应是放热反应，所以a小于0，要提高CO2的转化率，就要使平衡正向移动，由于该反应的正反应为放热反应，实验根据平衡移动原理，可知反应温度要在低温下进行；

②催化剂对化学平衡没有影响，所以加入催化剂，化学平衡不移动，化学反应的反应热不变；

③在2L密闭容器中充入1molCO2，在 =3，根据表格可知在500K时，CO2的转化率是80%，

发生反应： 2CO2(g)+6H2(g)CH3CH2OH(g)+3H2O(g)

c(开始)mol/L 0.5 1.5 0 0

c(改变)mol/L 0.4 1.2 0.2 0.6

c(平衡)mol/L 0.1 0.3 0.2 0.6

则在该温度下达到化学平衡时，则反应的平衡常数是K==；

(5)锂电极生成致密保护涂层实质上是锂失去电子，与熔融盐中的CO32-结合形成Li2CO3，因此锂电极的电极反应式为：2Li-2e-+CO32-=Li2CO3；利用一种钾盐水溶液作电解质，CO2电催化下，与溶液中的H+及水反应，被还原为乙烯，则在阴极上产生乙烯的电极反应式为2CO2+12H++12e-=CH2=CH2+4H2O。