Question

【题目】CO2的综合利用对于减少温室气体、缓解能源紧缺具有重要的意义。

（Ⅰ）CO2的性质稳定，其电子式为___。

（Ⅱ）多晶Cu是唯一被实验证实能高效催化CO2还原为烃类(如CH4 或C2H4)的金属。电解装置分别以多晶Cu和铂为电极材料，用阴离子交换膜分隔开阴、阳极室，阴、阳极室的KHCO3溶液的浓度(约0.1 mol/L左右)基本保持不变。并向某极室内持续通入CO2，温度控制在10℃左右。

(1)持续通入CO2的原因是______。

(2)研究表明，催化剂的多种因素决定了C2H4的选择性和催化活性。

已知：选择性=目标产物的消耗原料量/原料总的转化量

在本实验条件下，生成C2H4的电极反应为______。

(3)本实验条件下，若CO2转化为烃的转化率为10%，生成C2H4的选择性为12%，现收集到12 mol C2H4，则通入的CO2为______mol。

（Ⅲ）CO2与CH4经催化重整，制得合成气：CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g) △H

(1)已知：反应1：CH4(g) ═C(s)+2H2(g) △H1=+75kJmol﹣1

反应2：H2(g) + CO2(g)H2O(g)+CO(g) △H2=+35kJmol﹣1

反应3：2CO(g) ═C(s)+ CO2(g) △H3=﹣172kJmol﹣1

则该催化重整反应的△H=___kJmol﹣1。从温度和压强角度有利于提高CO2平衡转化率的条件是____。

(2)下图表示体系内c(H2)/c(CO)、c(H2O)/c(CO)的变化情况，请解释1200K以下c(H2)/c(CO)小于1的原因___，并解释随温度的升高c(H2)/c(CO)增大的原因____。

Answer 1

【答案】 提高CO2的浓度，增大CO2的放电能力，抑制H+的放电 14CO2+12e-+8H2O= C2H4+12HCO3- 1000 +247 高温低压 因为发生了反应2 H2(g) + CO2(g) H2O(g) +CO(g) 随温度的升高，CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g) △H>0，平衡正移，CO浓度增大并且CO2浓度降低，反应2平衡逆移，由图中c(H2O)/ c(CO)变小得到验证，从而c(H2)/ c(CO)增大。

【解析】

Ⅰ．CO2是共价化合物，其分子内碳与每个氧原子之间存在二个共用电子对；

Ⅱ．(1)持续通入CO2可提高CO2气体的浓度，确保阴极持续发生CO2的还原反应；

(2) CO2在电解池的阴极得电子发生还原反应生成C2H4；

(3)若CO2转化为烃的转化率为10%，生成C2H4的选择性为12%，结合选择性=目标产物的消耗原料量/原料总的转化量计算参加反应的CO2的物质的量；

Ⅲ．(1)根据盖斯定律计算△H；结合温度和压强对平衡的影响，分析促进平衡正向移动的条件；

(2)结合温度对反应2：H2(g) + CO2(g)H2O(g)+CO(g) △H2=+35kJmol﹣1和CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g) △H=+247 kJmol﹣1的平衡状态的影响分析。

Ⅰ．CO2是共价化合物，其电子式为；

Ⅱ．(1)持续通入CO2的目的是为了提高CO2的浓度，增大CO2的放电能力，抑制H+的放电，确保阴极持续发生CO2的还原反应；

(2)CO2在电解池的阴极得电子发生还原反应生成C2H4，发生的电极反应为14CO2+12e-+8H2O=C2H4+12HCO3-；

(3)设参加反应的CO2的物质的量为nmol，依据选择性=目标产物的消耗原料量/原料总的转化量可知：12%=，解得：n=1000mol；

Ⅲ．(1)已知：反应1：CH4(g) ═C(s)+2H2(g) △H1=+75kJmol﹣1；反应3：2CO(g) ═C(s)+ CO2(g) △H3=﹣172kJmol﹣1；根据盖斯定律，由反应1-反应3即可得到CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g)，则△H=(+75kJmol﹣1)-(﹣172kJmol﹣1)=+247 kJmol﹣1；对反应CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g) △H=+247 kJmol﹣1，升高温度和降低压强均能促进平衡正向移动，故提高CO2平衡转化率的条件是高温低压；

(2)因反应体系中发生的反应2：H2(g) + CO2(g)H2O(g)+CO(g) △H2=+35kJmol﹣1，温度较低时有利于此反应正向进行，使体系内c(H2)的浓度降低，c(CO)的浓度增大，导致体系内1200K以下c(H2)/c(CO)小于1；但随着温度的升高，CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g) △H>0，平衡正移，CO浓度增大并且CO2浓度降低，反应2平衡逆移，由图中c(H2O)/c(CO)变小得到验证，从而c(H2)/c(CO)增大。