Question

【題目】CO2 可用于合成多種化工原料。用 CO2 生產綠色燃料甲醇時發生反應A： CO2(g)＋3H2(g)CH3OH(g)＋H2O(g) ΔH1

(1)反應 A 的平衡常數表達式是_____。在恒溫恒容的密閉容器中進行該反應，下列說法正確的是_____(填字母)。

A.反應達到平衡時，容器的總壓強不再改變

B.加入合適的催化劑，可以提高 CO2 的轉化率

C.將初始投料增加 1 倍，可以提高CO2 的轉化率

D.充入一定量的He 氣，可以提高CO2 的轉化率

(2)在體積為 1 L 的恒容密閉容器中發生反應 A，如圖是在三種投料，即[n(CO2)，n(H2)]分別為：[1mol，3mol]、[1mol，4mol]、[1mol，6mol]下，反應溫度對 CO2 平衡轉化率影響的曲線。

① 反應 A 的ΔH1_____0(填“>”或“<”)。

② 曲線 c 對應的投料是_____。

③ T1℃時，曲線c 對應的化學平衡常數_____1(填“大于”、“小于”或“等于”)。

(3)在一定條件下，利用 CO2 合成 CH3OH 的反應過程中會有副反應：CO2(g) + H2(g)CO(g) + H2O(g)。壓強一定時，將初始投料比一定的 CO2 和H2 按一定流速通過催化劑甲，經過相同時間(反應均未達到平衡)時，溫度對 CH3OH、CO 的產率影響如圖 1 所示，溫度對 CO2 的轉化率影響如圖 2 所示。

由圖像可知，升高溫度，CO2的實際轉化率提高而甲醇的產率降低，其原因是_____。

(4)以 CO2 和 H2O 為原料合成 CH4，可以借助氮化鎵(GaN)與 Cu 組成的人工光合系統， 裝置如圖所示。

① GaN 電極上的電極反應式是_____。

② 當有 0.4mol 電子轉移時，銅電極上生成的CH4在標準狀況下的體積是_____L。

Answer 1

【答案】 AC ＜ [1mol，6mol] 小于 升高溫度，反應 B(副反應)的速率比反應(A)快 2H2O－4e－=O2+4H+ 1.12

【解析】

根據可逆反應化學方程式寫出平衡常數表達式，由影響平衡移動的因素判斷移動的方向；根據題中圖示，判斷反應放熱還是吸熱；根據化學平衡“三段式”計算平衡常數；根據題中圖1和圖2，分析CO2轉化率升高而CH3OH產率減小原因；根據題圖所給信息，判斷正負極，寫出電極反應，由電子守恒和電極反應計算CH4的體積(標況)。

(1)由CO2(g)＋3H2(g)CH3OH(g)＋H2O(g)反應可知，平衡常數表達式為K= ，答案為。

A．由CO2(g)＋3H2(g)CH3OH(g)＋H2O(g)反應可知，是一個氣體體積縮小的反應，總壓強是一個變量，若反應達到平衡時，各物質的量不再變化，容器的總壓強也不再改變，故A正確；

B．加入合適的催化劑，可以改變達到平衡的時間，但不影響平衡移動，CO2的轉化率不變，故B錯誤；

C．將初始投料增加 1 倍，相當于增大壓強，此反應是一個氣體體積縮小的反應，平衡向右移動，可以提高CO2的轉化率，故C正確；

D．充入一定量的He 氣，由于整個體系恒溫恒容，對平衡體系無影響，故D錯誤；

答案為AC。

(2)①由題中圖示可知，隨著溫度升高，CO2的平衡轉化率減小，則平衡逆向移動，升高溫度，向吸熱方向移動，故該反應正反應放熱反應，ΔH1＜0；答案為＜。

②當其他條件不變時，增大反應物氫氣的濃度，平衡正向移動，CO2的平衡轉化率增大，由題給圖象知相同溫度下，曲線c二氧化碳的平衡轉化率最大，故曲線c對應的投料是n(CO2)=1mol，n(H2)=6mol；答案為n(CO2)=1mol，n(H2)=6mol。

③曲線c對應的投料是n(CO2)=1mol，n(H2)=6mol，T1℃時，二氧化碳的平衡轉化率為65%，轉化的二氧化碳為0.65mol，容器體積為1L，則：則平衡常數K==＜1；答案為小于。

(3)因為A：CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)△H1＜0，升高溫度，平衡逆向移動，CH3OH的產率減小，符合圖1，溫度升高，而一氧化碳產率增大，可判斷副反應B：CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)平衡正向移動，△H2＞0，所以升高溫度時副反應B：CO2(g) + H2(g)CO(g) + H2O(g)△H2＞0，速率比A更快，平衡正向移動，CO2轉化率更大，對于A來說，平衡逆向移動，CH3OH的產率減小；答案為升高溫度，反應 B(副反應)的速率比反應A快。

(4)①根據裝置圖，銅電極上通入了CO2，生成了CH4，C元素化合價降低，得到電子發生還原反應，作正極，CaN表面水失電子生成氧氣，O元素的化合價升高，發生氧化反應，作負極，則電極反應為2H2O-4e-=O2↑+4H+；答案為2H2O-4e-=O2↑+4H+。

②Cu作正極，電極反應為CO2+8e-+8H+=CH4↑+2H2O，當有 0.4mol 電子轉移時，銅電極上生成的CH4在標準狀況下的體積V(CH4)==1.12L；答案為1.12。