18.2022年1月24日,習近平總書記在十九屆中共中央政治局第三十六次集中學習時強調,實現(xiàn)碳達峰碳中和是貫徹新發(fā)展理念、構建新發(fā)展格局、推動高質量發(fā)展的內在要求。因此,二氧化碳的合理利用成為研究熱點。
(1)以CO
2和NH
3為原料合成尿素是利用CO
2的成功范例。在尿素合成塔中的主要反應可表示如下:
反應I:2NH
3(g)+CO
2(g)═NH
2COONH
4(s)ΔH
1=-159.5kJ/mol
反應II:NH
2COONH
4(s)═CO(NH
2)
2(s)+H
2O(g)ΔH
2=+72.5kJ/mol
總反應III:2NH
3(g)+CO
2(g)═CO(NH
2)
2(s)+H
2O(g)ΔH
3反應III的ΔH
3=
kJ/mol,據(jù)此判斷該反應在_
(填“低溫”、“高溫”或“任意溫度”)條件下能自發(fā)進行。
(2)二甲醚(CH
3OCH
3)被譽為“21世紀的清潔燃料,以CO
2、H
2為原料制備二甲醚涉及的主要反應如下:
I.2CO
2(g)+6H
2(g)?CH
3OCH
3(g)+3H
2O(g)ΔH
1=-122.5kJ/mol
II.CO
2(g)+H
2(g)?CO(g)+H
2O(g)ΔH
2=+41.1kJ/mol
①在壓強、CO
2和H
2的起始投料一定的條件下,發(fā)生反應I、II,實驗測得CO
2平衡轉化率和平衡時CH
3OCH
3的選擇性隨溫度的變化如圖1所示。(已知:CH
3OCH
3的選擇性=
100%)
其中表示平衡時CH
3OCH
3的選擇性的曲線是
(填“①”或“②”);溫度高于300℃時,曲線②隨溫度升高而升高的原因是
;為同時提高CO
2的平衡轉化率和平衡時CH
3OCH
3的選擇性,應選擇的反應條件為
(填標號)。
a.高溫、高壓
b.低溫、高壓
c.高溫、低壓
d.低溫、低壓
②對于反應II的反應速率v=v
正-v
逆=k
正p(CO
2)?p(H
2)-k
逆p(CO)?p(H
2O),其中k
正、k
逆分別為正、逆反應速率常數(shù),p為氣體的分壓(分壓=總壓×物質的量分數(shù))。
a.降低溫度,k
正-k
逆
(填“增大”、“減小”或”不變”);
b.在一定溫度和壓強下的反應II,按照n(H
2):n(CO
2)=1:1投料,CO
2轉化率為50%時,v
(正):v
(逆)=3:4,用氣體分壓表示的平衡常數(shù)K
p=
。
(3)用H
2還原CO
2可以合成CH
3OH:CO
2(g)+3H
2(g)?CH
3OH(g)+H
2O(g)。恒壓下,CO
2和H
2的起始物質的量之比為1:3時,該反應在無分子篩膜時甲醇的平衡產率和有分子篩膜(能選擇性分離出H
2O)時甲醇的產率隨溫度的變化如圖2所示。P點甲醇產率高于T點的原因為
。
(4)CO
2的再利用技術是促進可持續(xù)發(fā)展的措施之一,南開大學化學學院陳軍院士課題組則成功研制出新型的Na-CO
2電池,如圖3是一種Na-CO
2二次電池,其中鈉和負載碳納米管的鎳網(wǎng)分別作為電極材料,電池放電產物為Na
2CO
3和C,則放電時正極電極反應式為
。