(一)關注碳中和，推進碳達峰 ［分值：50分］
(選擇題1~3題，每小題4分，4~7題，每小題6分，共36分)
1.為了2030年實現(xiàn)碳達峰和2060年實現(xiàn)碳中和，“十四五”期間生態(tài)環(huán)境與資源綜合利用發(fā)展途徑對煤炭行業(yè)高質量發(fā)展具有重要意義。下列相關說法錯誤的是( )
A.開發(fā)煤炭廢棄資源的高值、高效利用技術能降低二次污染
B.煤的綜合利用有利于保護自然環(huán)境和社會的可持續(xù)發(fā)展
C.向煤中加入適量碳酸鈣可減少燃燒產物中二氧化碳的量
D.利用太陽能等清潔能源代替煤炭，有利于節(jié)約資源、保護環(huán)境
答案 C
解析 煤中加入適量碳酸鈣，可達到鈣基固硫的作用，減少燃燒產物中二氧化硫的量，但不能減少二氧化碳的排放量，故C錯誤。
2.我國提出爭取在2030年前實現(xiàn)碳達峰、2060年前實現(xiàn)碳中和，這對于改善環(huán)境、實現(xiàn)綠色發(fā)展至關重要。CO2催化加氫制CO技術是兼顧新能源和實現(xiàn)碳達峰的重要途徑之一，該反應機理如圖所示。下列說法錯誤的是( )
A.反應：CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g) ΔH，達平衡后，若升溫，c(H2)降低，則ΔH>0
B.催化劑(In2O3)表面易于形成豐富的氧空位，有效促進CO2的吸附活化
C.步驟d、e中，CO2的吸附與轉化均存在化學鍵的斷裂與形成
D.催化劑(In2O3)能提高催化加氫的速率，是因為降低了反應的活化能
答案 C
解析 對轉化反應，升溫c(H2)降低，說明平衡正向移動，ΔH>0，A正確；觀察反應機理圖可知，催化劑先吸附氫氣，氫原子與氧成鍵后脫水，得到較多的氧空位，促進了CO2的吸附活化，B正確；步驟d中，CO2只是進入氧空位被催化劑吸附，不存在化學鍵的斷裂與形成，C錯誤；In2O3作催化劑降低了反應的活化能，從而提高化學反應速率，D正確。
3.中國努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和。利用NaOH溶液噴淋捕捉空氣中的CO2，反應過程如圖所示。下列說法錯誤的是( )
A.捕捉室中NaOH溶液噴成霧狀有利于吸收CO2
B.環(huán)節(jié)a中物質分離的基本操作是過濾
C.反應過程中CaO和NaOH是可循環(huán)的物質
D.高溫反應爐中的物質是Ca(HCO3)2
答案 D
解析 環(huán)節(jié)a為向碳酸氫鈉溶液中加入氧化鈣，氧化鈣與碳酸氫鈉溶液反應生成碳酸鈣沉淀和氫氧化鈉，過濾得到碳酸鈣沉淀和氫氧化鈉溶液，B正確；高溫反應爐中碳酸鈣受熱分解生成氧化鈣和二氧化碳，將二氧化碳收集后儲存，環(huán)節(jié)a得到的氫氧化鈉溶液和反應爐中得到的氧化鈣可以循環(huán)利用，C正確、D錯誤。
4.我國力爭于2030年前做到碳達峰，2060年前實現(xiàn)碳中和，一種脫除和利用水煤氣中CO2方法的示意圖如下。T ℃時一定量的CO2被吸收塔中K2CO3溶液吸收后進入再生塔再生，最后利用電化學原理將CO2電催化還原為C2H4(該溫度下H2CO3的Ka1=4.6×10-7，Ka2=5.6×10-11)。下列有關說法錯誤的是( )
A.若T ℃時吸收塔中c(CO32-)∶c(HCO3-)=28∶5，則該溶液的pH=11
B.再生塔中產生CO2的離子方程式為2HCO3-CO2↑+CO32-+H2O
C.將濃度相等的K2CO3溶液與KHCO3溶液等體積混合，所得溶液中離子濃度大小為c(K+)>c(CO32-)>c(HCO3-)>c(OH-)>c(H+)
D.CO2電催化還原為C2H4的陰極反應式為2CO2+12e-+12H+===C2H4+4H2O
答案 C
解析 水煤氣中的CO2被吸收塔中K2CO3溶液吸收后形成KHCO3溶液進入再生塔，再生塔中KHCO3分解產生CO2，再將CO2電催化還原為C2H4。設c(CO32-)=2.8 ml·L-1，則c(HCO3-)=0.5 ml·L-1，根據(jù)CO32-+H2OHCO3-+OH-可知，c(HCO3-)·c(OH-)c(CO32-)=KwKa2，則0.5×c(OH-)2.8=1.0×10-145.6×10-11，解得c(OH-)=1.0×10-3 ml·L-1，溶液中c(H+)=1.0×10-11 ml·L-1，pH=11，A正確；再生塔中，KHCO3受熱分解產生CO2，該反應的離子方程式為2HCO3-CO2↑+CO32-+H2O，B正確；將濃度相等的K2CO3溶液與KHCO3溶液等體積混合，Kh=KwKa2>Ka2，則CO32-的水解程度大于HCO3-的電離程度，故所得溶液中離子濃度大小為c(K+)>c(HCO3-)>c(CO32-)>c(OH-)>c(H+)，C錯誤；CO2在陰極上被還原為C2H4，電極反應式為2CO2+12e-+12H+===C2H4+4H2O，D正確。
5.(2024·貴州安順期末)杭州亞運會火炬名為“薪火”，主火炬以甲醇作為燃料，在亞運史上首次實現(xiàn)廢碳再生、循環(huán)內零碳排放，綠色甲醇生態(tài)示意圖如圖所示。
下列有關綠色甲醇生態(tài)示意圖的說法錯誤的是( )
A.太陽能、風能屬于可再生能源
B.工業(yè)上可用氨水捕獲煙氣中的CO2
C.CO2轉換為甲醇的反應中CO2作還原劑
D.甲醇的生態(tài)循環(huán)有利于實現(xiàn)碳中和
答案 C
解析 CO2可與氨水中的一水合氨反應，故可用氨水捕獲煙氣中的CO2，故B正確；CO2轉換為甲醇，C元素的化合價降低，反應中CO2作氧化劑，故C錯誤；甲醇的生態(tài)循環(huán)不會排放CO2，有利于實現(xiàn)碳中和，故D正確。
6.(2024·河北滄州模擬)我國科研工作者通過研發(fā)新型催化劑，利用太陽能電池將工業(yè)排放的CO2轉化為HCOOH，實現(xiàn)碳中和目標，原理如圖所示。下列說法正確的是( )
A.該過程中存在的能量轉化形式只有太陽能→化學能
B.離子交換膜為陰離子交換膜
C.P極的電極反應式為CO2+2e-+2H+===HCOOH
D.N極催化轉化22.4 L H2時，P極生成HCOOH的質量為46 g
答案 C
解析 能量轉化形式：太陽能→電能→化學能，A錯誤；P極電極反應消耗H+，故P極區(qū)需要補充H+，該離子交換膜為陽離子交換膜，B錯誤；P極上CO2→HCOOH，C元素的化合價降低，得電子，發(fā)生還原反應，則P極為陰極，電極反應式為CO2+2e-+2H+===HCOOH，C正確；沒有說明是否為標準狀態(tài)，不能確定H2的物質的量，D錯誤。
7.(2024·江西模擬)CO2回收和利用有助于碳中和?？茖W家開發(fā)催化劑實現(xiàn)CO2固定，如圖所示(R為氫或烴基)。
下列敘述正確的是( )
A.若R為氫，則乙的分子式為C3H6O3
B.若R為甲基，則甲、乙、丙分子中都含有1個手性碳原子
C.丙是一種能自然降解的綠色有機高分子材料
D.甲和CO2在催化劑作用下發(fā)生取代反應生成乙
答案 C
解析 若R為氫，則乙()的分子式為C3H4O3，A項錯誤；丙分子中有n個手性碳原子，B項錯誤；丙的鏈節(jié)含酯基，在自然界中可水解生成小分子，C項正確；甲和CO2發(fā)生加成反應生成乙，D項錯誤。
8.(14分)2023年杭州亞運會的主火炬使用的燃料為“零碳甲醇”，更好地展現(xiàn)了綠色化學低碳環(huán)保的理念?！傲闾技状肌钡闹苽溥^程中，主要發(fā)生以下反應。
ⅰ.CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g) ΔH1；
ⅱ.CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g) ΔH2=+41.2 kJ·ml-1；
ⅲ.CO(g)+3H2(g)CH4(g)+H2O(g) ΔH3=-206.2 kJ·ml-1
回答下列問題：
(1)反應ⅰ可能的反應歷程如圖1所示。
注：方框內包含微粒種類及數(shù)目，微粒的相對總能量［如最后一個方框表示1個CH3OH(g)分子和1個H2O(g)分子的相對總能量為-0.51 eV，單位：eV］，TS表示過渡態(tài)、*表示吸附在催化劑上的微粒，1 eV=1.6×10-22 kJ。
①ΔH1= kJ·ml-1(計算結果保留1位小數(shù))。
②該反應歷程中，生成甲醇的決速步驟的反應方程式為 。
(2)在恒溫恒壓條件下，通入CO2(g)與H2(g)混合氣體，發(fā)生反應ⅰ、ⅱ、ⅲ。下列可以說明反應達到平衡狀態(tài)的是 (填字母)。
A.反應混合物中各組分的物質的量濃度不再改變
B.反應后混合氣體的壓強不再改變
C.混合氣體的密度不再改變
D.混合氣體的平均相對分子質量不變
(3)一定溫度下，將CO2(g)和H2(g)按n(CO2)∶n(H2)=1∶3充入恒容密閉容器中，發(fā)生反應ⅰ、ⅱ、ⅲ，容器內總壓強與反應時間的變化關系如圖2所示。實驗測得平衡時n(CH3OH)n(CH4)=3，H2O的分壓為15 kPa。
①0~10 min內，CO2的平均分壓變化率為 kPa·min-1。
②反應ⅲ的壓強平衡常數(shù)Kp= kPa-2(以平衡分壓代替平衡濃度計算，分壓=總壓×物質的量分數(shù)，結果保留2位有效數(shù)字)。
(4)一定條件下，向恒溫恒容密閉容器中充入CO2(g)和H2(g)只發(fā)生反應ⅰ，在兩種不同催化劑下建立平衡的過程中H2的轉化率隨反應時間的變化曲線如圖3所示。
①兩種催化劑催化效果較好的是 。
②催化劑Ⅰ條件下，t2 min時改變的反應條件可能是 (填字母)。
A.降低溫度
B.容器容積不變，通入一定量He(g)
C.容器容積不變，通入一定量CH3OH(g)
D.縮小容器容積
答案 (1)①-49.1 ②HCOOH*+2H2(g)===H2COOH*+32H2(g)［或HCOOH*+12H2(g)===H2COOH*］ (2)ACD (3)①1.25 ②2.3×10-4 (4)①催化劑Ⅰ ②C
解析 (1)①根據(jù)ΔH=生成物的總能量-反應物的總能量可得，ΔH1=(-0.51-0)eV×6.02×1023 ml-1=-0.51×1.6×10-22 kJ×6.02×1023 ml-1≈-49.1 kJ·ml-1。②反應的活化能=過渡態(tài)的能量-反應物的總能量，則可比較經歷過渡態(tài)TS1、TS2、TS3、TS4、TS5、TS6的反應的活化能可得，經歷TS3過渡態(tài)時，反應的活化能最大、反應速率最慢，反應方程式為HCOOH*+2H2(g)===H2COOH*+32H2(g)或HCOOH*+12H2(g)===H2COOH*。(2)恒溫恒壓條件下，反應混合物中各組分的物質的量濃度不再改變，可說明反應達到平衡狀態(tài)，A符合題意，B不符合題意；由于反應ⅰ和反應ⅲ均為反應前后氣體分子數(shù)發(fā)生變化的反應，在恒溫恒壓條件下發(fā)生反應ⅰ、ⅱ、ⅲ，反應前后混合氣體的體積發(fā)生變化，混合氣體的質量不變，則反應前后混合氣體的密度、平均相對分子質量發(fā)生變化，當混合氣體的密度、平均相對分子質量不變時，可說明反應達到平衡狀態(tài)，C、D符合題意。
(3)【第一步：根據(jù)信息假設反應物的量】設起始時n(CO2)=1 ml，n(H2)=3 ml。
【第二步：根據(jù)圖像計算物質轉化的量】設平衡時總物質的量為x ml，由題圖2可知，起始時總壓強為100 kPa，平衡時總壓強為80 kPa。恒溫恒容條件下，100 kPa80 kPa=4mlxml，x=3.2，氣體總物質的量減少0.8 ml。由于反應ⅰ和反應ⅲ均為反應前后氣體分子數(shù)減小的反應，反應ⅱ為反應前后氣體分子數(shù)不變的反應，設平衡時n(CH3OH)=a ml，n(CH4)=b ml，依據(jù)差量法計算：
CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g) Δn
1 2
a ml 2a ml
CO(g)+3H2(g)===CH4(g)+H2O(g) Δn
1 2
b ml 2b ml
ab=3，2a+2b=0.8，解得a=0.3，b=0.1。
【第三步：列三段式計算】假設反應ⅰ達到平衡后發(fā)生反應ⅱ，反應ⅱ達到平衡后發(fā)生反應ⅲ，設反應ⅱ生成的CO的物質的量為y ml。
反應ⅰ CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)
起始量/ml 1 3 0 0
轉化量/ml 0.3 0.9 0.3 0.3
平衡量/ml 0.7 2.1 0.3 0.3
反應ⅱ CO2(g) + H2(g)CO(g) + H2O(g)
起始量/ml 0.7 2.1 0 0.3
轉化量/ml y y y y
平衡量/ml 0.7-y 2.1-y y 0.3+y
反應ⅲ CO(g) + 3H2(g)CH4(g)+H2O(g)
起始量/ml y 2.1-y 0 0.3+y
轉化量/ml 0.1 0.3 0.1 0.1
平衡量/ml y-0.1 1.8-y 0.1 0.4+y
根據(jù)p(H2O)p總=n(H2O)n總，15 kPa80 kPa=n(H2O)3.2ml可得，n(H2O)=0.6 ml，即0.4+y=0.6，y=0.2。
【第四步：根據(jù)具體問題計算】①反應過程中消耗的CO2的物質的量為0.5 ml，CO2的壓強變化量為0.5ml4ml×100 kPa=12.5 kPa，則0~10 min內，CO2的平均分壓變化率為12.5 kPa10min=1.25 kPa·min-1。②平衡時n(H2O)=0.6 ml，n(CH4)=0.1 ml，n(CO)=0.1 ml，n(H2)=1.6 ml，p(H2O)=15 kPa，p(CH4)=p(CO)=2.5 kPa，p(H2)=40 kPa，則反應ⅲ的壓強平衡常數(shù)Kp=p(CH4)·p(H2O)p(CO)·p3(H2)=2.5 kPa×15 kPa2.5 kPa×(40 kPa)3≈2.3×10-4 kPa-2。(4)②由題圖3可知，從t2 min開始H2的轉化率降低，平衡逆向移動。由于反應ⅰ的正反應為放熱反應，降低溫度，平衡正向移動，H2的轉化率增大，A不符合題意；容器容積不變，通入一定量He(g)，各組分的濃度不變，平衡不移動，H2的轉化率不變，B不符合題意；容器容積不變，通入一定量CH3OH(g)，平衡逆向移動，H2的轉化率降低，C符合題意；縮小容器容積，相當于增大壓強，由于反應ⅰ為反應前后氣體分子數(shù)減小的反應，平衡正向移動，H2的轉化率增大，D不符合題意。

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