Question

【題目】“反向燃燒”可將二氧化碳變?yōu)槿剂�。回答下列問題：

(已知甲烷的標準燃燒熱ΔH＝－890 kJ·mol－1) 。

(1)科學家用氮化鎵材料與銅組裝如圖所示的人工光合系統(tǒng)，利用該裝置成功地實現(xiàn)了以CO2和H2O合成CH4。

①寫出銅電極表面的電極反應式：_________________________；

②該總反應的熱化學方程式為：___________________________，

(2)利用CO2與H2反應可制備CH4。

已知氫氣的標準燃燒熱ΔH＝－286 kJ·mol－1 ；H2O(g) = H2O (l)，ΔH＝－44kJ·mol－1；

則二氧化碳與氫氣反應生成甲烷和水蒸氣的熱化學方程式為_____________________；

該反應能自發(fā)的條件是__________(填高溫或低溫)。

Answer 1

【答案】CO2＋8e－＋8H＋＝CH4＋2H2O CO2（g）+2H2O（l）＝CH4（g）＋2 O 2（g）△H=+890kJ·mol－1 CO2（g）+ 4H2（g）＝CH4（g）+ 2H2O（g）△H=﹣166kJ·mol－1 低溫

【解析】

（1）由電池裝置圖可知，在太陽光作用下形成原電池，電池工作時是將太陽能轉(zhuǎn)化為電能的過程，銅的表面發(fā)生還原反應，CO2得電子與氫離子反應生成甲烷；原電池的總反應為甲烷燃燒的逆過程，能量變化為吸熱，以此分析。

（2）寫出方程式CO2（g）+ 4H2（g）＝CH4（g）+ 2H2O（g），根據(jù)蓋斯定律結(jié)合已知的熱化學方程式求出反應熱；根據(jù)△H-T△S<0，分析反應條件。

（1）①由電池裝置圖可知，Cu上二氧化碳得電子生成甲烷，則Cu電極上的電極反應為：CO2+8e-+8H+=CH4+2H2O；
因此，本題正確答案是：CO2+8e-+8H+=CH4+2H2O；

②該原電池負極反應為4H2O-4e-=8H++2O 2↑，則總反應為：CO2+2H2O＝CH4＋2O 2，該反應為甲烷燃燒的逆過程，能量變化為吸熱，根據(jù)甲烷的標準燃燒熱ΔH＝－890 kJ·mol－1，可得該總反應的熱化學方程式為：CO2（g）+2H2O（l）＝CH4（g）＋2 O 2（g）△H=+890kJ·mol－1，

因此，本題正確答案是：CO2（g）+2H2O（l）＝CH4（g）＋2 O 2（g）△H=+890kJ·mol－1。

（2）根據(jù)已知①CO2（g）+2H2O（l）＝CH4（g）＋2 O 2（g）△H=+890kJ·mol－1，

②H2(g)+O2(g)=H2O(l) △H=-286kJ·mol－1，

③ H2O(g) = H2O (l)，ΔH＝－44kJ·mol－1；

根據(jù)蓋斯定律，①+②4-③2，得到CO2（g）+ 4H2（g）＝CH4（g）+ 2H2O（g）

△H=+890 kJ·mol－1+（-286 kJ·mol－1）4﹣（-44 kJ·mol－1）2=﹣166kJ·mol－1 ，

根據(jù)△H-T△S<0時，反應能夠自發(fā)進行，該反應為放熱反應，ΔH<0，氣體分子數(shù)減小，ΔS<0，所以，低溫有利于反應自發(fā)進行，
因此，本題正確答案是：CO2（g）+ 4H2（g）＝CH4（g）+ 2H2O（g）△H=﹣166kJ·mol－1；低溫。