Question

【題目】“低碳經濟”已成為全世界科學家研究的重要課題，其綜合利用具有重要意義。回答下列問題：

（1）CO2與CH4經催化重整，制得合成氣：CH4（g）+ CO2（g）2CO （g）+ 2H2（g）

①已知上述反應中相關的化學鍵鍵能數據如下：

化學鍵	C—H	C=O	H—H	CO（CO）
鍵能/kJ·mol1	413	745	436	1075

則該反應的ΔH=_________。有利于提高CH4平衡轉化率的條件是____（填標號）。

A.高溫低壓 B.低溫高壓 C.高溫高壓 D.低溫低壓

②某溫度下，在體積為2 L的容器中加入2 mol CH4、1 mol CO2以及催化劑進行重整反應，達到平衡時CO2的轉化率是50%，其平衡常數為_______mol2·L-2。

（2）CO2可以被NaOH溶液捕獲。若所得溶液c（HCO3）∶c（CO32 -）=2∶1，溶液pH=____。（室溫下，H2CO3的K1=4×10-7；K2=5×10-11），0.1mol·L-1 NaHCO3溶液中陰離子的濃度由大到小的順序為______________

（3）研究證實，CO2也可在酸性水溶液中通過電解生成甲醇，則生成甲醇的反應發生在_______極，該電極反應式是___________________________________

Answer 1

【答案】+120 kJ·mol–1 A 10 HCO3>OH> CO32 - 陰 CO2+6H++6e-=CH3OH+H2O

【解析】

（1）①該反應的△H=反應物總鍵能-生成物總鍵能；CH4（g）+ CO2（g）2CO （g）+ 2H2（g）為氣體體積增大的吸熱反應，高溫低壓利于平衡正向移動。

②達到平衡時CO2的轉化率是50%，根據方程式知，參加反應的n（CO2）=n（CH4）=1mol×50%=0.5mol，生成的n（CO）=n（H2）=1mol，

該化學反應 CH4（g） + CO2（g） 2CO（g）+ 2H2（g），

開始（mol·L－1）1 0.5 0 0

反應（mol·L－1）0.25 0.25 0.5 0.5

平衡（mol·L－1）0.75 0.25 0.5 0.5

化學平衡常數K=c2(CO)·c2(H2)/[c(CH4)·c(CO2)]；

（2）所得溶液c（HCO3－）：c（CO32－）=2：1，根據K2=c(CO32－)·c(H＋)/c(HCO3－)=5×10-11，計算c（H＋），進而計算溶液pH。

碳酸氫根離子水解生成碳酸分子和氫氧根離子，碳酸氫根離子的水解程度大于電離程度；

（3）CO2也可在酸性水溶液中通過電解生成甲醇，應為電解池的陰極反應，被還原生成甲醇，據此寫出電極反應式.

（1）①該反應的△H=反應物總鍵能-生成物總鍵能=[4×413+2×745-2×1075-2×436]kJ·mol－1=+120kJ·mol－1；

CH4（g）+ CO2（g）2CO （g）+ 2H2（g）為氣體體積增大的吸熱反應，提高CH4平衡轉化率的條件是高溫低壓，故選A。

②達到平衡時CO2的轉化率是50%，根據方程式知，參加反應的n（CO2）=n（CH4）=1mol×50%=0.5mol，生成的n（CO）=n（H2）=1mol，

該化學反應 CH4（g） + CO2（g） ═ 2CO（g）+ 2H2（g），

開始（mol·L－1）1 0.5 0 0

反應（mol·L－1）0.25 0.25 0.5 0.5

平衡（mol·L－1）0.75 0.25 0.5 0.5

化學平衡常數K=c2(CO)·c2(H2)/[c(CH4)·c(CO2)]=0．52×0．52÷(0.75×0.25)=1/3；

（2）所得溶液c（HCO3－）：c（CO32－）=2：1，根據K2=c(CO32－)·c(H＋)/c(HCO3－)=5×10-11，可知c（H＋）=1×10-10，故pH=10，

碳酸氫根離子水解生成碳酸分子和氫氧根離子，水解離子方程式為：HCO3－+H2OH2CO3+OH－；HCO3－的水解常數=c(H2CO3)·c(OH－)/c(HCO3－)=c(H2CO3)·c(OH－)c(H+)/[c(HCO3－)·c(H+)]=Kw/K1=10-14÷(4×10-7)=2.5×10-8>K2=5×10-11，HCO3－水解程度大于其電離程度，故c（Na＋）＞c（HCO3－）、c（H2CO3）＞c（CO32－），水解程度不大所以c（HCO3－）＞c（H2CO3）、c（HCO3－）＞c（OH－），溶液中氫氧根來源于水的電離與HCO3－水解，故c（OH－）＞c（H2CO3），所以c（Na＋）＞c（HCO3－）＞c（OH－）＞c（H2CO3）＞c（CO32－），陰離子的濃度由大到小的順序為：c（HCO3－）＞c（OH－）＞c（CO32－）；

（3）CO2也可在酸性水溶液中通過電解生成甲醇，C元素化合價降低，被還原，應為電解池的陰極反應，電極方程式為CO2+6H＋+6e－=CH3OH+H2O。