Question

10．甲醇是一種可再生燃料，它的沸點為64.7℃，有科學家提出：把含有過量CO₂的空氣吹入碳酸鉀溶液中，然后再把CO₂從溶液中提取出來，經化學反應后得到甲醇，其構想流程如圖所示：
試回答下列問題：
（1）寫出吸收池中主要反應的化學方程式K₂CO₃+CO₂+H₂O=2KHCO₃；
（2）在2×10⁵Pa、300℃合成塔中，若有440g CO₂與H₂恰好完全反應生成甲醇和水，放出495kJ的熱量，試寫出合成塔中發生反應的熱化學方程式CO₂（g）+3H₂（g）=CH₃OH （g）+H₂O（g）△H=-49.5kJ•mol^-1 （2×10⁵Pa、300℃）；
（3）在合成塔中發生的是放熱反應，高溫不利于甲醇的生成，合成塔中維持300℃的較高溫度的原因可能是該溫度下催化劑的活性最高，較低溫時反應速率過慢，生產效率低，若要提高甲醇的產率，可采取的措施有（寫兩條）降溫、加壓；
（4）甲醇的一個重要作用是可以制燃料電池，常用KOH作電解質溶液，負極的電極反應式為CH₃OH+8OH^--6e^-=CO₃^2-+6H；
（5）986℃時，在容積不變的密閉容器中加入一定量的CO₂和H₂發生反應：CO₂（g）+H₂（g）?CO（g）+H₂O（g），CO₂、H₂的起始濃度都為1.0mol•L^-1，達到平衡濃度時CO₂、H₂的濃度均變為0.44mol•L^-1，試計算986℃時，該反應的平衡常數（寫出計算過程，保留2位有效數字）．

Answer 1

分析 （1）二氧化碳通入飽和碳酸鉀溶液的吸收池中反應生成碳酸氫鉀；
（2）反應方程式為：CO₂（g）+3H₂（g）=CH₃OH （g）+H₂O（g），計算1mol二氧化碳反應放出的熱量，進而書寫熱化學方程式；
（3）在合成塔中發生的是放熱反應，高溫不利于甲醇的生成，較低溫時反應速率過慢，合成塔中維持300℃的較高溫度，可以提高反應速率，催化劑在此溫度下活性最大；
若要提高甲醇的產率，應改變條件使平衡向正反應方向移動，依據平衡移動原理分析解答；
（4）負極發生氧化反應，甲醇在負極失去電子，堿性條件下生成碳酸根離子與水；
（5）計算各物質的平衡濃度，代入平衡常數表達式K=$\frac{c（CO）×c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）×c（{H}_{2}）}$計算．

解答 解：（1）二氧化碳通入飽和碳酸鉀溶液的吸收池中反應生成碳酸氫鉀，反應的方程式為：K₂CO₃+CO₂+H₂O=2KHCO₃，故答案為：K₂CO₃+CO₂+H₂O=2KHCO₃；
（2）反應的方程式為CO₂（g）+3H₂（g）=CH₃OH （g）+H₂O（g），n（CO₂）=$\frac{440g}{44g/mol}$=10mol，完全轉化為甲醇出495 kJ的熱量，則生成1 mol CH₃OH放出熱量49.5 kJ的熱量，所以熱化學方程式為：CO₂（g）+3H₂（g）=CH₃OH （g）+H₂O（g）△H=-49.5kJ•mol^-1 （2×10⁵Pa、300℃），
故答案為：CO₂（g）+3H₂（g）=CH₃OH （g）+H₂O（g）△H=-49.5kJ•mol^-1 （2×10⁵Pa、300℃）；
（3）在合成塔中發生的是放熱反應，高溫不利于甲醇的生成，較低溫時反應速率過慢，生產效率低，合成塔中維持300℃的較高溫度的原因提高反應速率，催化劑在此溫度下活性最大，反應是放熱反應，氣體體積減小的反應，依據平衡移動原理可知反應正向進行提高甲醇的產率，應采取降溫、加壓，或將甲醇從混合體系中分離出來的措施，
故答案為：該溫度下催化劑的活性最高，較低溫時反應速率過慢，生產效率低；降溫、加壓或將甲醇從混合體系中分離出來；
（4）負極發生氧化反應，甲醇在負極失去電子，堿性條件下生成碳酸根離子與水，負極電極反應式為：CH₃OH+8OH^--6e^-=CO₃^2-+6H₂O，
故答案為：CH₃OH+8OH^--6e^-=CO₃^2-+6H₂O；
（5）CO₂（g）+H₂（g）?CO（g）+H₂O（g）
起始物質的量濃度（mol•L^-1）：1.0    1.0     0       0
轉化物質的量濃度（mol•L^-1）：0.56   0.56    0.56    0.56
平衡物質的量濃度（mol•L^-1）：0.44   0.44    0.56    0.56
平衡常數表達式K=$\frac{c（CO）×c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）×c（{H}_{2}）}$=$\frac{0.56×0.56}{0.44×0.44}$≈1.6，
答：986℃時，該反應的平衡常數為1.6．

點評 本題甲醇合成為載體，考查熱化學方程式書寫、對條件控制的分析評價、化學反應速率與化學平衡影響因素、電極反應式書寫、平衡常數計算等，基本屬于拼合型題目，難度中等．