Question

【題目】CO2和CH4是兩種主要的溫室氣體。以CH4和CO2為原料制造更高價值的化學產品是用來緩解溫室效應的研究方向，回答下列問題。

(1)研究表明CO2和H2在催化劑存在下可發生反應生成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，則CO2和H2反應生成CH3OH和水蒸氣的熱化學方程式為_____。

(2)用Cu2Al2O4作催化劑制備乙酸。已知：CO2（g）+CH4（g） CH3COOH(g) H2=akJ/mol。

①各物質相對能量大小如圖所示，則a=___。

②該反應的速率方程可表示為：v(正)=k正c(CO2)c(CH4)和v(逆)=k逆c(CH3COOH)，k正和k逆在一定溫度時為常數，分別稱作正，逆反應速率常數，請寫出用k正，k逆表示的平衡常數的表達式K=___。

(3)將CO2和CH4在一定條件下反應可制得工業合成氣，在1 L 密閉容器中通入CH4與CO2，使其物質的量濃度為1.0 mol/L，在一定條件下發生反應：CH4(g) + CO2(g) 2CO(g) + 2H2(g)，測得CH4的平衡轉化率與溫度及壓強的關系如下圖所示：

則：

①壓強P1，P2，P3，P4由大到小的關系為___。

②對于氣相反應，用某組分(B)的平衡壓強p(B)代替物質的量濃度c(B)也可表示平衡常數(記作Kp)，如果P4=2 MPa，求x點的平衡常數Kp=_____(用平衡分壓代替平衡濃度計算，分壓=總壓×物質的量分數)。

③下列措施中能使平衡體系中c(CO)/c(CO2)減小的是__。

A．升高溫度 B．增大壓強

C．保持溫度、壓強不變，充入He D．恒溫、恒容，再充入1 mol CO2和1 mol CH4

(4)科學家還研究了其他轉化溫室氣體的方法，利用下圖所示裝置可以將CO2轉化為氣體燃料CO(電解質溶液為稀硫酸)，該裝置工作時，N___極的電極反應式為______，若導線中通過電子為a mol，則M極電解質溶液中H+改變量為___mol，N極電解質溶液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)根據蓋斯定律進行分析；

(2)①根據圖示可知，該反應為吸熱反應，H2=生成物總能量-反應物總能量；

②CO2（g）+CH4（g） CH3COOH(g)，平衡常數的表達式K=c(CH3COOH)/c(CH4)c(CO2)；反應達到平衡后，v(正)= v(逆)，據此可以求出K。

(3) ①該反應正反應是氣體體積增大的反應，增大壓強平衡向逆反應進行,甲烷的轉化率降低，據此分析壓強的大小；

②對于氣相反應，用某組分(B)的平衡壓強P(B)代替物質的量濃度c（B）也可表示平衡常數(記作KP)，則該反應的平衡常數的表達式；結合化學平衡三段式列式計算；

③從圖示可知，溫度升高，甲烷的轉化率增大，所以CH4(g) + CO2(g) 2CO(g) + 2H2(g)，反應為吸熱反應；根據平衡移動規律進行分析；

(4)根據裝置中電子流向知，M是負極，N是正極；正極反應式為：CO2+2H++2e-=CO+H2O；M電極反應為：2H2O-4e-=O2+4H+，總反應式為：2CO2= 2CO+ O2；根據導線中通過電子為a mol，分析M極電解質溶液中H+改變量、N極電解質溶液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，根據蓋斯定律知, 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根據圖示可知，該反應為吸熱反應，H2=生成物總能量-反應物總能量 = E2-E1=a kJ/mol；

故答案是：E2-E1；

②CO2（g）+CH4（g） CH3COOH(g)，平衡常數的表達式K=c(CH3COOH)/c(CH4)c(CO2)；反應達到平衡后，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由圖可以知道,溫度一定時,甲烷的轉化率α(P1)> α(P2)> α(P3) >α(P4)，該反應正反應是氣體體積增大的反應,增大壓強平衡向逆反應進行,甲烷的轉化率降低,故壓強P4>P3>P2>P1；

故答案是: P4>P3>P2>P1；

②對于氣相反應,用某組分(B)的平衡壓強P(B)代替物質的量濃度c（B）也可表示平衡常數(記作KP)，則該反應的平衡常數的表達式；結合化學平衡三段式列式計算,設體積為1L，a點甲烷轉化率為50%；

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

起始量（mol） 1 1 0 0

變化量（mol） 0.5 0.5 1 1

平衡量（mol） 0.5 0.5 1 1

平衡氣體總物質的量=3mol，如果P4=2 MPa，用平衡分壓代替平衡濃度計算，分壓=總壓×物質的量分數，則a點的平衡常數KP=[(2×1/3)2×(2×1/3)2]÷(2×0.5/3)2=(MPa)2 ；

故答案是: (MPa)2 ；

③從圖示可知，溫度升高，甲烷的轉化率增大，所以CH4(g) + CO2(g) 2CO(g) + 2H2(g)，反應為吸熱反應；

A．升高溫度，平衡右移，c(CO2)減小，c(CO)增大，所以c(CO)/c(CO2)增大，故A錯誤；

B．該反應正反應是氣體體積增大的反應,增大壓強平衡向逆反應進行，c(CO2)增大，c(CO)減小，所以c(CO)/c(CO2)減小，故B正確；

C．保持溫度、壓強不變，充入He，氣體體積增大，平衡向右移動，c(CO2)減小，c(CO)增大，所以c(CO)/c(CO2)增大，故C錯誤；

D．恒溫、恒容，再充入1 mol CO2和1 mol CH4，與原平衡相比等效于加壓過程，平衡左移，c(CO2)增大，c(CO)減小，所以c(CO)/c(CO2)減小，故D正確；

故答案是：BD。

(4)該裝置中，根據電子流向知，M是負極，N是正極；正極發生還原反應，反應式為：CO2+2H++2e-=CO+H2O；M電極反應為：2H2O-4e-=O2+4H+，總反應式為：2CO2= 2CO+ O2；故導線中通過電子為a mol，則M極電解質溶液中H+改變量為amol；根據CO2+2H++2e-=CO+H2O反應可知，導線中通過電子為a mol時， N極電解質溶液增加量為m=（22a+a）-14a=9ag；

故答案是：正；CO2+2H++2e-=CO+H2O；0；9a。