Question

【題目】低碳經(jīng)濟(jì)成為人們一種新的生活理念，二氧化碳的捕捉和利用是一個(gè)重要研究方向， 既可變廢為寶，又可減少碳的排放。工業(yè)上可用CO2和H2制備被譽(yù)為“21世紀(jì)的清潔燃料”二甲醚(CH3OCH3)：

如在500℃時(shí)，在密閉容器中將煉焦中的CO2轉(zhuǎn)化為二甲醚，其相關(guān)反應(yīng)為：

主反應(yīng)I：2CO2 (g)+6H2(g)CH3OCH3(g)+3H2O(g) △H1

副反應(yīng)II：CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g) △H2

(1)已知：①CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) △H=-90.1kJ/mol

②2CH3OH(g)CH3OCH3(g)+H2O(g) △H=-24.5kJ/mol

③CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g) △H= -41.0kJ/mol

則主反應(yīng)I的△H1=______。

(2)在一定溫度下某密閉容器中按CO2和H2的濃度比為1：3投料進(jìn)行反應(yīng)，測(cè)得不同時(shí)間段部分物質(zhì)的濃度如下表：

①10-20min 內(nèi)，CH3OCH3的平均反應(yīng)速率v(CH3OCH3)=_______。

②根據(jù)以上數(shù)據(jù)計(jì)算主反應(yīng)I的平衡常數(shù)K=______(列式，代入數(shù)據(jù)，不計(jì)算結(jié)果)。

(3)欲提高CH3OCH3產(chǎn)率的關(guān)鍵的因素是選用合適的催化劑，其原因是_______。

(4)對(duì)于反應(yīng)II，溫度對(duì)CO2的轉(zhuǎn)化率及催化劑的效率影響如圖所示：下列有關(guān)說(shuō)法不正確的是_______。

A.其他條件不變，若不使用催化劑，則250℃時(shí)CO2的平衡轉(zhuǎn)化率可能位于Ml

B.溫度低于250°C時(shí)，隨溫度升高甲醇的產(chǎn)率增大

C.M點(diǎn)時(shí)平衡常數(shù)比N點(diǎn)時(shí)平衡常數(shù)大

D.實(shí)際反應(yīng)應(yīng)盡可能在較低的溫度下進(jìn)行，以提高CO2的轉(zhuǎn)化

(5)利用太陽(yáng)能電池將CO2轉(zhuǎn)化為乙烯、丙烯等有機(jī)化工原料，其工作原理如圖所示。則a為太陽(yáng)能電池的_______極，寫(xiě)M極上生成丙烯的電極反應(yīng)式為_________。

Answer 1

【答案】-122.7kJ/mol 0.003mol/(L·min) 適的催化劑能大幅提高主反應(yīng)速率，從而提高二甲醚的產(chǎn)率 ABD 負(fù)極 3CO2+18H++18e-=6H2O+CH3CH=CH2

【解析】

(1)根據(jù)蓋斯定律，將已知的三個(gè)熱化學(xué)方程式疊加，可得主反應(yīng)I的熱化學(xué)方程式；

(2)①根據(jù)v=計(jì)算反應(yīng)速率；

②根據(jù)平衡常數(shù)的含義計(jì)算該反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)的化學(xué)平衡常數(shù)；

(3)根據(jù)催化劑的作用分析判斷；

(4)根據(jù)溫度、催化劑對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率、化學(xué)平衡移動(dòng)的影響分析、判斷；

(5)根據(jù)電解池原理分析判斷，書(shū)寫(xiě)電極反應(yīng)式。

(1)①CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) △H=-90.1 kJ/mol

②2CH3OH(g)CH3OCH3(g)+H2O(g) △H=-24.5 kJ/mol

③CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g) △H= -41.0 kJ/mol

①×2+②-③×2，整理可得2CO2 (g)+6H2(g)CH3OCH3(g)+3H2O(g) △H1=-122.7 kJ/mol；

(2)結(jié)合表格數(shù)據(jù)，根據(jù)v=可知在10～20min 內(nèi)，CH3OCH3的平均反應(yīng)速率v(CH3OCH3)==0.003 mol/(L·min)；

②反應(yīng)開(kāi)始是c(H2)=1.00 mol，平衡時(shí)c(H2)=0.30 mol，反應(yīng)反應(yīng)消耗H2濃度為△c(H2)=(1.00-0.30) mol/L=0.70 mol/L，其中發(fā)生反應(yīng)：2CO2(g)+6H2(g)CH3OCH3(g)+3H2O(g)，c(CH3OCH3)=0.10 mol/L，則c(H2O)=0.30 mol/L，反應(yīng)消耗H2濃度為0.60mol/L，發(fā)生副反應(yīng)CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+2H2O(g)消耗H2的非濃度是0.10mol/L，其產(chǎn)生的H2O的濃度是mol/L，所以平衡時(shí)水的濃度是c(H2O)=(0.30+)mol/L；按CO2和H2的濃度比為1：3投料，發(fā)生兩個(gè)反應(yīng)時(shí)CO2和H2是按1：3關(guān)系反應(yīng)，達(dá)到平衡時(shí)二者的物質(zhì)的量濃度比也是1：3，反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)c(CO2)=（-0.2+）=0.10 mol/L；故主反應(yīng)I達(dá)到平衡時(shí)的化學(xué)平衡常數(shù)K=；

(3)有些物質(zhì)對(duì)某一反應(yīng)有催化作用，對(duì)其它反應(yīng)可能無(wú)催化作用或催化效率很低，采用適當(dāng)?shù)拇呋瘎┠艽蠓�提高主反�?yīng)速率，減少副反應(yīng)的發(fā)生，從而提高二甲醚的產(chǎn)率；

(4)A.催化劑不能影響平衡移動(dòng)，只能改變反應(yīng)速率，A錯(cuò)誤；

B.溫度低于250℃時(shí)，隨溫度升高，平衡逆向移動(dòng)，甲醇的產(chǎn)率減小，B錯(cuò)誤；

C.升高溫度二氧化碳的平衡轉(zhuǎn)化率降低，則升溫平衡逆向移動(dòng)，所以M點(diǎn)時(shí)化學(xué)平衡常數(shù)大于N點(diǎn)，C正確；

D.較低的溫度下進(jìn)行反應(yīng)，平衡正向進(jìn)行，CO2的轉(zhuǎn)化率較高，但催化劑的活性、反應(yīng)速率減小，不利于反應(yīng)進(jìn)行，D錯(cuò)誤；

故合理選項(xiàng)是ABD；

(5)CO2在M電極得到電子，被還原產(chǎn)生丙烯，則M電極為陰極，與電源負(fù)極連接的電極為陰極，所以a電極為陰極，M電極的電極反應(yīng)式為：3CO2+18H++18e-=6H2O+CH3CH=CH2。