CO2加氢可转化为高附加值的CO、CH4、CH3OH等C1产物。该过程可缓解CO2带来的环...

CO2加氢可转化为高附加值的CO、CH4、CH3OH等C1产物。该过程可缓解CO2带来的环境压力，同时可变废为宝，带来巨大的经济效益。CO2加氢过程，主要发生的三个竞争反应为：

反应i：CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)△H=-49.01kJ•mol-1

反应ii：CO2(g)+4H2(g)CH4(g)+2H2O(g)△H=-165.0kJ•mol-1

反应iii：CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)△H=+41.17kJ•mol-1

回答下列问题：

（1）由CO、H2合成甲醇的热化学方程式为_____。

（2）反应iii为逆水煤气变换反应，简称RWGS。以金属催化剂为例，该反应历程的微观示意和相对能量(eV)变化图如图所示(为催化剂，为C原子，为O原子，o为H原子）

历程I：

历程II：

历程III：

①历程1方框内反应的方程式为CO2*+*=CO*+O*(*为催化剂活性位点）。根据图示，其反应热△H_____0(填“＞”或“<”)。

②反应历程II方框内的方程式是_____。

③反应历程中_____（填“历程I”、“历程II”或“历程III”）是RWGS的控速步骤。

（3）我国科学家研究了不同反应温度对含碳产组成的影响。在反应器中按=3：1通入H2和CO2，分别在0.1MPa和1MPa下进行反应。试验中温度对平衡组成C1(CO2、CO、CH4)中的CO和CH4的影响如图所示（该反应条件下甲醇产量极低，因此忽略“反应i”)：

①1MPa时，表示CH4和CO平衡组成随温度变化关系的曲线分别是_____、_____。M点CO平衡组成含量高于N点的原因是_____。

②当CH4和CO平衡组成为40%时，该温度下反应iii的平衡常数Kp为_____。

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CO2是一种常用的化工原料，经常可以用来转化成高附加值的CO、CH4、CH3OH、CO(NH2)2等一碳（C1）产物。

Ⅰ.以CO2与NH3为原料可以合成尿素[CO(NH2)2]。合成尿素的反应为2NH3(g)+CO2(g)CO(NH2)2(s)+H2O(g)。在不同温度及不同y值下合成尿素，达到平衡时，氨气转化率的变化情况如图所示。该反应的ΔH___(填“＞”、“＜”或“＝”，下同)0，若y表示压强，则y1___y2，若y表示反应开始时的氨碳比[]，则y1__y2。

Ⅱ.CO2加氢过程，主要发生的三个竞争反应为：

反应i：CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)　　 ∆H=-49.01kJ•mol-1

反应ii：CO2(g)+4H2(g)CH4(g)+2H2O(g)　　 ∆H=-165.0kJ•mol-1

反应iii：CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)　　 ∆H=+41.17kJ•mol-1

回答下列问题：（1）由CO、H2合成甲醇的热化学方程式为__。

（2）如图是某甲醇燃料电池工作的示意图。

质子交换膜(只有质子能够通过)左右两侧的溶液均为1L2mol·L-1H2SO4溶液。电极a上发生的电极反应为___，当电池中有1mole−发生转移时左右两侧溶液的质量之差为___g(假设反应物耗尽，忽略气体的溶解)。

（3）我国科学家研究了不同反应温度对含碳产物组成的影响。在反应器中按=3∶1通入H2和CO2，分别在0.1MPa和1MPa下进行反应。试验中温度对平衡组成C1(CO2、CO、CH4)中的CO和CH4的影响如图所示（该反应条件下甲醇产量极低，因此忽略“反应i”)：

则表示1MPa时CH4和CO平衡组成随温度变化关系的曲线分别是___、___。M点所表示物质的平衡组成高于N点的原因是___。

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CO2是主要的温室气体，也是一种工业原料。回收利用CO2有利于缓解温室效应带来的环境问题。

(1)我国科学家通过采用一种新型复合催化剂，成功实现了CO2直接加氢制取高辛烷值汽油。

已知：2H2 (g)+O2 (g) =2H2O(l)　 ΔH = -571.6 kJ/mol

2C8H18(l)+25O2(g) =16CO2(g)+18H2O(l)　 ΔH = -11036 kJ/mol

25℃、101kPa条件下，CO2与H2反应生成辛烷(以C8H18表示)和液态水的热化学方程式是_________。

(2)CO2催化加氢合成乙醇的反应原理是：2CO2(g)+6H2(g)C2H5OH(g)+3H2O(g)　 △H =-173.6 kJ/mol图是起始投料不同时，CO2的平衡转化率随温度的变化关系，m为起始时的投料比，即m=。m1、m2、m3投料比从大到小的顺序为_________，理由是_________。

(3)在Cu/ZnO催化剂存在下，将CO2与H2混合可合成甲醇，同时发生以下两个平行反应：

反应Ⅰ CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g)　　　　 ΔH1=-53.7 kJ/mol　

反应Ⅱ CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g)　　　　　 　ΔH2=+41.2 kJ/mol

控制一定的CO2和H2初始投料比，在相同压强下,经过相同反应时间测得如下实验数据(其中“甲醇选择性”是指转化的CO2中生成甲醇的百分比)：

①对比实验1和实验3可发现：同样催化剂条件下，温度升高，CO2转化率升高， 而甲醇的选择性却降低，请解释甲醇选择性降低的可能原因_______________；

②对比实验1和实验 2可发现：在同样温度下，采用Cu/ZnO纳米片使CO2转化率降低， 而甲醇的选择性却提高，请解释甲醇的选择性提高的可能原因____________。

③有利于提高CO2转化为CH3OH平衡转化率的措施有_______。

a．使用Cu/ZnO纳米棒做催化剂

b．使用Cu/ZnO纳米片做催化剂

c．降低反应温度

d．投料比不变，增加反应物的浓度

e．增大的初始投料比

(4)以纳米二氧化钛膜为工作电极，稀硫酸为电解质溶液，在一定条件下通入CO2，电解，在阴极可制得低密度聚乙烯(简称LDPE)。

①电解时，阴极的电极反应式是_____________。

②工业上生产1.4×104 kg 的LDPE，理论上需要标准状况下______L 的CO2。

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CO2是主要的温室气体，也是一种工业原料。回收利用CO2有利于缓解温室效应带来的环境问题。

(1)我国科学家通过采用一种新型复合催化剂，成功实现了CO2直接加氢制取高辛烷值汽油。

已知：2H2 (g)+O2 (g) =2H2O(l)　 ΔH = -571.6 kJ/mol

2C8H18(l)+25O2(g) =16CO2(g)+18H2O(l)　 ΔH = -11036 kJ/mol

25℃、101kPa条件下，CO2与H2反应生成辛烷(以C8H18表示)和液态水的热化学方程式是_________。

(2)CO2催化加氢合成乙醇的反应原理是：2CO2(g)+6H2(g)C2H5OH(g)+3H2O(g)　 △H =-173.6 kJ/mol图是起始投料不同时，CO2的平衡转化率随温度的变化关系，m为起始时的投料比，即m=。m1、m2、m3投料比从大到小的顺序为_________，理由是_________。

(3)在Cu/ZnO催化剂存在下，将CO2与H2混合可合成甲醇，同时发生以下两个平行反应：

反应Ⅰ CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g)　　　　 ΔH1=-53.7 kJ/mol　

反应Ⅱ CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g)　　　　　 　ΔH2=+41.2 kJ/mol

控制一定的CO2和H2初始投料比，在相同压强下,经过相同反应时间测得如下实验数据(其中“甲醇选择性”是指转化的CO2中生成甲醇的百分比)：

①对比实验1和实验3可发现：同样催化剂条件下，温度升高，CO2转化率升高， 而甲醇的选择性却降低，请解释甲醇选择性降低的可能原因_______________；

②对比实验1和实验 2可发现：在同样温度下，采用Cu/ZnO纳米片使CO2转化率降低， 而甲醇的选择性却提高，请解释甲醇的选择性提高的可能原因____________。

③有利于提高CO2转化为CH3OH平衡转化率的措施有_______。

a．使用Cu/ZnO纳米棒做催化剂

b．使用Cu/ZnO纳米片做催化剂

c．降低反应温度

d．投料比不变，增加反应物的浓度

e．增大的初始投料比

(4)以纳米二氧化钛膜为工作电极，稀硫酸为电解质溶液，在一定条件下通入CO2，电解，在阴极可制得低密度聚乙烯(简称LDPE)。

①电解时，阴极的电极反应式是_____________。

②工业上生产1.4×104 kg 的LDPE，理论上需要标准状况下______L 的CO2。

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将CH4、CO2催化重整为可用的化学品，对缓解能源危机、改善环境意义重大。

(l)以Fe(OH)3为脱硫剂，通过复分解反应吸收H2S，产物是H2O和___________。

(2)过程A主要涉及以下反应：

i. CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g)　　 △H=+247kJ/mol

ii. CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)　　 　　 △H=-41kJ/mol

①反应i的化学平衡常数K随温度的变化关系是____。

②分析反应iixt反应i中CO2转化率可能的影响并说明理由：____（写出一种即可）。

(3)某科研团队利用Ni、CaO、Fe3O4三种催化剂在850℃下“超干重整”CH4和CO2；

过程I．通入CO2和CH4，所得CO被吸收，H2O被分离出体系，如下面左图所示。

过程Ⅱ．H2O被分离后，向该装置中再通入He气，使催化剂再生并获得CO，如下面右图所示。

①CH4和CO2重整为CO、H2O的热化学方程式是____________。

②结合反应方程式简述Fe3O4的催化作用：___________。

③CaO对Fe3O4是否起到催化作用至关重要，实验研究结果如下表：

运用有关化学原理解释实验结果：____。

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CO2的转化和重整受到越来越多的关注，它是有效应对全球气候变化、促进低碳社会构建的重要方法。

(1)热化学转化法。

CO2催化加氢合成CH4，其过程中主要发生下列反应：

反应Ⅰ：CH4(g)＋2O2(g)=CO2(g)＋2H2O(g)；ΔH＝－890.3 kJ·mol－1

反应Ⅱ：CO(g)＋H2O (g)=CO2(g)＋H2(g)；ΔH＝＋2.8 kJ·mol－1

反应Ⅲ：2CO(g)＋O2(g)=2CO2(g)；ΔH＝－566.0 kJ·mol－1

则反应CO2(g)＋4H2(g)=CH4(g)＋2H2O(g) 的ΔH＝________kJ·mol－1。

(2)CO2催化还原法。

图1表示的是利用CO2的“直接电子传递机理”。在催化剂铜的表面进行转化。当有1 mol CO2反应时，直接传递的电子物质的量为________mol。

(3)CO2电化学催化重整法。

①图2表示以KOH溶液作电解质溶液进行电解的示意图，CO2在Cu电极上可以转化为CH4，该电极反应的方程式为______________________，电解一段时间后，阳极区溶液pH减小，其原因是__________________。

②CO2与CH4在催化剂作用下合成乙酸，反应的化学方程式为________。

(4)CO2与丙烯通过金属杂多酸盐[CoxH(3－2x)PW12O40] 催化合成甲基丙烯酸。

①研究发现金属杂多酸盐中x对CO2转化率的影响如图3所示，由图3得出催化效果最好的金属杂多酸盐化学式是________。

②催化剂在温度不同时对CO2转化率的影响如图4所示，300 ℃催化效果远不如200 ℃　 和250 ℃的原因为__________________________________。

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CO2的转化和重整受到越来越多的关注，它是有效应对全球气候变化、促进低碳社会构建的重要方法。

(1)热化学转化法。

CO2催化加氢合成CH4，其过程中主要发生下列反应：

反应Ⅰ：CH4(g)＋2O2(g)=CO2(g)＋2H2O(g)；ΔH＝－890.3 kJ·mol－1

反应Ⅱ：CO(g)＋H2O (g)=CO2(g)＋H2(g)；ΔH＝＋2.8 kJ·mol－1

反应Ⅲ：2CO(g)＋O2(g)=2CO2(g)；ΔH＝－566.0 kJ·mol－1

则反应CO2(g)＋4H2(g)=CH4(g)＋2H2O(g) 的ΔH＝________kJ·mol－1。

(2)CO2催化还原法。

图1表示的是利用CO2的“直接电子传递机理”。在催化剂铜的表面进行转化。当有1 mol CO2反应时，直接传递的电子物质的量为________mol。

(3)CO2电化学催化重整法。

①图2表示以KOH溶液作电解质溶液进行电解的示意图，CO2在Cu电极上可以转化为CH4，该电极反应的方程式为______________________，电解一段时间后，阳极区溶液pH减小，其原因是__________________。

②CO2与CH4在催化剂作用下合成乙酸，反应的化学方程式为________。

(4)CO2与丙烯通过金属杂多酸盐[CoxH(3－2x)PW12O40] 催化合成甲基丙烯酸。

①研究发现金属杂多酸盐中x对CO2转化率的影响如图3所示，由图3得出催化效果最好的金属杂多酸盐化学式是________。

②催化剂在温度不同时对CO2转化率的影响如图4所示，300 ℃催化效果远不如200 ℃　 和250 ℃的原因为__________________________________。

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中科院兰州化学物理研究所用Fe3(CO)12/ZSM－5催化CO2加氢合成低碳烯烃反应，所得产物含CH4、C3H6、C4H8等副产物，反应过程如图

下列说法正确的是

A.第i步反应为CO2＋H2＝CO＋H2O

B.第i步反应的活化能低于第ii步

C.Fe3(CO)12/ZSM－5使CO2加氢合成低碳烯的△H减小

D.添加不同助剂后，反应的平衡常数各不相同

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我国科研人员提出了由CO2和CH4转化为高附加值产品CH3COOH的催化反应历程。该历程示意图如下，则下列说法正确的是（　　 ）

A.E为该反应的反应热

B.①→②吸收能量

C.CH4→CH3COOH过程中，有极性键的断裂和非极性键的形成

D.加入催化剂能改变该反应的能量变化

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随着能源与环境问题越来越被人们关注，碳-化学(C1化学)成为研究的热点。“碳一化学”即以单质碳及CO、CO2、CH4、CH3OH等含一个碳原子的物质为原料合成工业产品的化学与工艺．

（1）将CO2转化成有机物课有效实现碳循环。CO2转化成有机物的例子很多，如：

a.6CO2+6H2OC6H12O6+6O2

b.CO2+3H2OCH3OH+H2O

c.CO2+CH4CH3COOH

d.2CO2+6H2CH2=CH2+4H2O

在以上属于人工转化的反应中，原子利用率最高的是_______（填序号）。

（2）CO可用于合成甲醇。在压强0.1MPa条件下，在体积为bL的密闭容器中充入和，在催化剂作用下合成甲醇：CO(g)+2H2(g) CH3OH(g)。平衡时CO的转化率与温度、压强的关系如图。

①该反应属于_______反应（填“吸热”或“放热”）。若一个可逆反应的平衡常数K值很大，对此反应的说法正确的是____（填序号）。

a.反应使用催化剂意义不大

b.该反应发生将在很短时间内完成

c.该反应达到平衡时至少有一种反应物百分含量很小

d.该反应一定是放热反应

②100℃时，该反应的平衡常数K=________(用a,b的代数式表示)。

（3）二甲醚（CH3OCH3）被称为21世纪的新型燃料，也可替代氟利昂作制冷剂等，对臭氧层无破坏作用。工业上可利用煤的气化产物（水煤气）合成二甲醚。

①工业上利用水煤气合成二甲醚的三步反应如下：

a.2H2(g)+CO(g)⇌CH3OH(g)　 △H1=-90.8kJ•mol-1

b.2CH3OH(g)⇌CH3OCH3(g)+H2O(g)△H2=-23.5kJ•mol-

c.CO(g)+H2O(g)⇌CO2(g0+H2(g)△H3=-41.3kJ•mol

总反应：3H2(g)+3CO(g)⇌CH3OCH3(g)+CO2(g)的△H=___．

②对于反应b，在温度和容积不变的条件下，能说明该反应已达到平衡状态的是_____（填字母）。

a.n(CH3OH)=n(CH3OCH3)=n(H2O)

b.容器内压强保持不变

c.H2O(g)的浓度保持不变

d.CH3OH的消耗速率与CH3OCH3的消耗速率之比为2:1

（4）以KOH溶液为电解质，用二甲醚-空气组成燃料，其中负极的电极反应式为_______。

（5）碳化合物在治理汽车尾气方面也大有可为，如CO、CH4等在一定条件下均可以与氮氧化物生成无污染的物质。写出CO与氮氧化物（NOx）在有催化剂的条件下反应的化学方程式____________。

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