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党的十九大报告中多次提及“绿色环保”、“生态文明”,而 CO2 的有效利用可以缓解温室效应,解决能源短缺问题。

(1)某研究所的科研人员在新型纳米催化剂 Na-Fe3O4 和 HMCM-22 的表面,以 CO2 为碳源,与电解水产生的 H2 催化转化为高附加值的烃类化合物,其过程如图。

图中 CO2 转化为 CO 的反应为:CO2(g) + H2(g)=CO(g) + H2O(g)  ΔH1 = + 41 kJ•mol-1。已知:2CO2(g) + 6H2(g)=C2H4(g) + 4H2O(g)   ΔH2=-128 kJ•mol-1。图中 CO 转化为 C2H4 的热化学方程式是__________________   。

(2)甲醇是未来重要的绿色能源之一,在工业中常用 CO、H2 合成甲醇,其反应为:CO(g)+2H2(g)⇌CH3OH(g)   ΔH3 < 0

①为了探究浓度对反应速率的影响,200℃ 时在 10 L 恒容密闭容器中进行实验,测得的实验数据如下表所示:

实验

起始浓度/(mol·L-1)

初始速率/(mol·L-1·min-1)

CO

H2

1

0.25

0.50

0.391

2

0.25

1.00

0.781

3

0.50

0.50

0.780

该反应速率的通式为 v正=k正 cm(CO)•cn(H2)(k 正是与温度有关的速率常数)。由表中数据可确定反应速率通式中 m =_______、n =_____(取正整数)。实验发现,当实验 1 中 c(H2) = 0.25 mol•L-1时达到平衡,请计算该反应的平衡常数 K = _____。

②若将一定比例的 CO 和 H2 在装有催化剂的反应器中反应 12 小时,体系中甲醇的产率和催化剂的催化活性与温度的关系如图所示。

 

请判断温度为 470 K 时,图中 P 点 _________(填“是”或“不是”)处于平衡状态,490 K 之后,甲醇产率随温度升高而减小的可能原因为:_____、 _____。

(3)近年来,有研究人员用 CO2 通过电催化生成多种燃料,其工作原理如图所示。

①请写出 Cu 电极上产生 CH3OH 的电极反应式:_____________。

②如果Cu 电极上只生成 0.15 mol C2H4 和 0.30 mol CH3OH,则 Pt 电极上产生O2 的物质的量为 ___________mol。

③已知 HCOOH 为一元弱酸,常温下将 0.1 mol•L-1 HCOOH 溶液与 0.1 mol•L-1 NaOH 溶液按体积比 a : b混和(忽略溶液体积的变化),混合后溶液恰好显中性,则 HCOOH 的电离常数 Ka=_____________(用含 a、b 的代数式表示)。

高三化学综合题困难题

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