Question

【題目】“低碳經濟”已成為全世界科學家研究的重要課題。為減小和消除 CO2對環境的影響，一方面世界各國都在限制其排放量，另一方面科學家加強了對 CO2 創新利用的研究。

(1)已知：①CO(g)+H2O(g)H2(g)+CO2(g) △H=-41kJ/mol

②C(s)+2H2(g)CH4(g) △H=-73kJ/mol

③2CO(g)C(s)+CO2(g) △H=-17kJ/mol

寫出CO2與H2反應生成CH4和H2O(g)的熱化學方程式：_____。

(2)目前工業上有一種方法是用 CO2來生產燃料甲醇。為探究該反應原理，在容積為 2L密閉容器中，充入1molCO2和 3.25molH2在一定條件下發生反應，測得 CO2、CH3OH(g)和 H2O(g)的物質的量(n)隨時間的變化如圖所示：

①從反應開始到平衡，氫氣的平均反應速率v(H2)＝ ____。

②下列措施一定不能使CO2的平衡轉化率增大的是____ (填字母)。

A.在原容器中再充入1molCO2

B.在原容器中再充入1molH2

C.在原容器中充入1mol氦氣

D.使用更有效的催化劑

E.縮小容器的容積

F.將水蒸氣從體系中分離

(3)煤化工通常研究不同條件下CO轉化率以解決實際問題。已知在催化劑存在條件下反應：CO(g)＋H2O(g)H2(g)+CO2(g)的平衡轉化率隨p(H2O)/p(CO)及溫度變化關系如圖所示：

①上述反應的正反應方向是 ____(填“吸熱”或“放熱”)反應；

②對于氣相反應，用某組分(B)的平衡壓強(pB)代替物質的量濃度(cB)也可以表示平衡常數(記作 Kp)，則在恒溫密閉容器中，該反應的Kp與Kc的關系是 _______，如果提高p(H2O)/p(CO)，則Kp_______ （填“變大”“變小”或“不變”）；使用鐵鎂催化劑的實際工業流程中，一般采用400℃左右，p(H2O)/p(CO) =3～5，采取此條件的原因可能是 _________ 。

(4)科學家用氮化鎵材料與銅組裝成如圖所示的人工光合系統，利用該裝置實現了用CO2和H2O合成CH4。下列關于該電池的敘述正確的是 ____(填字母)。

A.該裝置能量轉化形式僅存在太陽能轉化為電能

B.銅電極為正極，電極反應式為CO2+8e-+8H+=CH4+2H2O

C.電池內部H＋透過質子交換膜從左向右移動

D.反應結束后，理論上溶液的 pH 值保持不變

Answer 1

【答案】 ACD 放熱 相等 不變 投料比太低，的轉化率不高，而投料比3~5時轉化率已經在97%左右，再增加投料比收益不明顯，經濟上不劃算，而反應溫度是根據催化劑的活性溫度來制定的 BCD

【解析】

（1）該小題是一道典型的蓋斯定律的應用，通過觀察可以發現用③-2①+②即可得到目標方程，注意各物質的狀態不要漏標；

（2）①先寫出反應方程式，化學反應速率之比等于化學計量數之比，因此只要算出任意一種物質的速率，即可得到氫氣的反應速率；

②轉化率即某一反應物的轉化百分率，可以用物質的量、質量、體積（相同條件下）來計算，據此來分析各選項即可；

（3）根據題圖，當相同時，溫度越高轉化率越低，因此正反應是放熱反應；

（4）雖然題干里告訴我們這是一個“人工光合系統”，實際上因為該裝置無外電源，因此必然為一個原電池裝置，再來根據原電池的規律分析即可。

（1）根據蓋斯定律，由③-2①+②得到，；

（2）①該反應為：CO2(g)+3H2(g) H2O(g)+CH3OH(l)；先求出的平均反應速率：，則氫氣的平均反應速率為的三倍，即；

②A.向原容器中充入更多的一定會導致的轉化率降低，A項正確；

B.向原容器中充入氫氣（另一種反應物），則可以提高的轉化率，B項錯誤；

C.容器是定容的，充入氦氣后容器體積不改變，各物質的濃度不改變，因此平衡也不會改變，平衡轉化率自然也不會改變，C項正確；

D.催化劑不改變平衡，自然無法影響轉化率，D項正確；

E.縮小容器體積相當于增大壓強，根據勒夏特列原理，平衡向氣體分子數減少的方向移動（正向），則轉化率增大，E項錯誤；

F.將水蒸氣（產物）從體系中分離，可以使逆反應速率小于正反應速率，平衡也會正向移動，轉化率增大，F項錯誤；

答案選ACD；

（3）①當相同時，溫度越高轉化率越低，因此正反應是放熱反應；

②既然我們用某組分的平衡壓強來代替物質的量濃度，則，而平衡壓強與濃度成正比，因此可以說明；對于給定的反應，平衡常數大小只與溫度有關，因此改變不會影響；根據圖表我們發現若投料比太低，的轉化率不高，而投料比3~5時轉化率已經在97%左右，再增加投料比收益不明顯，在經濟上不劃算，而反應溫度是根據催化劑的活性溫度來制定的，該溫度下催化劑活性最大；

（4）A.根據分析這是一個原電池裝置，將太陽能轉化為電能和化學能，A項錯誤；

B.原電池中，電子從負極流出，經外電路流回正極，因此銅為正極，在正極得電子轉變為甲烷，B項正確；

C.原電池工作時，陽離子從負極流向正極，C項正確；

D.負極發生水的光解，因此電池的總反應方程為，因此理論上溶液pH不變，D項正確；

答案選BCD。