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11 [2025镇江中考]助力“碳中和”,$\ce{CO_{2}}$捕集、高效制氢与综合利用是重要课题。
Ⅰ.$\ce{CO_{2}}$的捕集。
制备$\ce{CaO}$捕集$\ce{CO_{2}}$及再生的过程如下。
(1)转化①产生一种有毒气体,其化学式为
(2)与直接热解$\ce{CaCO_{3}}$生成$\ce{CaO}$相比,“再生”反应$\ce{H_{2} + CaCO_{3}\xlongequal{600℃} CaO + CO + H_{2}O}$的优点是
Ⅱ.$\ce{H_{2}}$的制取。
(3)光催化水制氢,原理如图1所示。整个过程中产生$\ce{H_{2}}$和$\ce{O_{2}}$的体积比为
(4)硼氢化钠水解制氢,原理为$\ce{NaBH_{4} + 2H_{2}O\xlongequal{催化剂} NaBO_{2} + 4H_{2}↑}$。
①不同钛(Ti)的氧化物催化$\ce{NaBH_{4}}$水解产生$\ce{H_{2}}$的速率如图2所示。催化效率最好的是
②$\ce{NaBH_{4}}$水解制氢方便,制得的$\ce{H_{2}}$纯度高,但$\ce{NaBH_{4}}$价格昂贵阻碍其工业化发展。写出一条可能化解阻碍的发展路线
Ⅲ.综合利用。
下列流程可实现$\ce{CO_{2}}$、$\ce{H_{2}}$的贮存、释放和利用。
(5)“催化加氢”发生反应的化学方程式为
(6)利用“催化释氢”的产物催化合成乙酸时需添加
Ⅰ.$\ce{CO_{2}}$的捕集。
制备$\ce{CaO}$捕集$\ce{CO_{2}}$及再生的过程如下。
(1)转化①产生一种有毒气体,其化学式为
CO
。(2)与直接热解$\ce{CaCO_{3}}$生成$\ce{CaO}$相比,“再生”反应$\ce{H_{2} + CaCO_{3}\xlongequal{600℃} CaO + CO + H_{2}O}$的优点是
能耗低
。Ⅱ.$\ce{H_{2}}$的制取。
(3)光催化水制氢,原理如图1所示。整个过程中产生$\ce{H_{2}}$和$\ce{O_{2}}$的体积比为
2:1
。(4)硼氢化钠水解制氢,原理为$\ce{NaBH_{4} + 2H_{2}O\xlongequal{催化剂} NaBO_{2} + 4H_{2}↑}$。
①不同钛(Ti)的氧化物催化$\ce{NaBH_{4}}$水解产生$\ce{H_{2}}$的速率如图2所示。催化效率最好的是
$\ce{Ti_{2}O_{3}}$
。②$\ce{NaBH_{4}}$水解制氢方便,制得的$\ce{H_{2}}$纯度高,但$\ce{NaBH_{4}}$价格昂贵阻碍其工业化发展。写出一条可能化解阻碍的发展路线
将反应产物$\ce{NaBO_{2}}$还原为原料$\ce{NaBH_{4}}$(或寻找价格低廉的硼氢化物,合理即可)
。Ⅲ.综合利用。
下列流程可实现$\ce{CO_{2}}$、$\ce{H_{2}}$的贮存、释放和利用。
(5)“催化加氢”发生反应的化学方程式为
$\ce{CO_{2} + 3H_{2}\xlongequal{催化剂}CH_{4}O + H_{2}O}$
。(6)利用“催化释氢”的产物催化合成乙酸时需添加
$\ce{CO_{2}}$
(填“$\ce{CO_{2}}$”或“$\ce{H_{2}}$”)促进另一气体完全反应。答案
11 (1)CO
(2)能耗低
(3)2:1
(4)$\ce{Ti_{2}O_{3}}$ 将反应产物$\ce{NaBO_{2}}$还原为原料$\ce{NaBH_{4}}$(或寻找价格低廉的硼氢化物,合理即可)
(5)$\ce{CO_{2} + 3H_{2}\xlongequal{催化剂}CH_{4}O + H_{2}O}$
(6)$\ce{CO_{2}}$
【解析】 (1)转化①中,$\ce{CaC_{2}O_{4}}$加热后生成$\ce{CaCO_{3}}$的同时还生成一种有毒的气体,根据质量守恒定律,化学反应前后元素的种类不变,则生成的有毒气体中含 C 元素,即该有毒气体是 CO。
(2)由转化②可以看出,直接热解$\ce{CaCO_{3}}$生成 CaO 需加热至800~1 000 ℃,而“再生”反应只需600 ℃即可完成,因此“再生”反应较直接热解$\ce{CaCO_{3}}$生成 CaO 所需的能耗低。
(3)由题图可知,该过程的实质是光催化分解水生成氢气和氧气,即$2\ce{H_{2}O}\xlongequal[催化剂]{光照}2\ce{H_{2}}↑ + \ce{O_{2}}↑$,则分解生成$\ce{H_{2}}$和$\ce{O_{2}}$的体积比为2:1。
(4)①由图2可以看出,钛的三种氧化物催化$\ce{NaBH_{4}}$水解产生$\ce{H_{2}}$时,相同条件下三氧化二钛($\ce{Ti_{2}O_{3}}$)作催化剂时,$\ce{H_{2}}$产生速率最高,即催化效果最好。②由硼氢化钠水解制氢的反应可以看出,若能将反应产物$\ce{NaBO_{2}}$还原为原料$\ce{NaBH_{4}}$或寻找价格低廉的硼氢化物水解制氢,可有效化解$\ce{NaBH_{4}}$价格昂贵的问题。
(5)“催化加氢”的过程是将$\ce{CO_{2}}$和$\ce{H_{2}}$在催化剂的作用下合成甲醇($\ce{CH_{4}O}$)和$\ce{H_{2}O}$的过程,反应的化学方程式为$\ce{CO_{2} + 3H_{2}\xlongequal{催化剂}CH_{4}O + H_{2}O}$。
(6)“催化释氢”过程是“催化加氢”的逆反应,即发生反应的化学方程式为$\ce{CH_{4}O + H_{2}O\xlongequal{催化剂}CO_{2} + 3H_{2}}$,该反应生成$\ce{CO_{2}}$和$\ce{H_{2}}$的分子个数比为1:3;而由$\ce{CO_{2}}$和$\ce{H_{2}}$在催化作用下合成乙酸($\ce{C_{2}H_{4}O_{2}}$)的过程中,发生反应的化学方程式为$2\ce{CO_{2} + 4H_{2}\xlongequal{催化剂}C_{2}H_{4}O_{2} + 2H_{2}O}$,该反应中参加反应的$\ce{CO_{2}}$和$\ce{H_{2}}$的分子个数比为2:4 = 1:2,则由催化释氢的产物催化合成乙酸时$\ce{H_{2}}$过量,因此需添加$\ce{CO_{2}}$以促进$\ce{H_{2}}$完全反应。
(2)能耗低
(3)2:1
(4)$\ce{Ti_{2}O_{3}}$ 将反应产物$\ce{NaBO_{2}}$还原为原料$\ce{NaBH_{4}}$(或寻找价格低廉的硼氢化物,合理即可)
(5)$\ce{CO_{2} + 3H_{2}\xlongequal{催化剂}CH_{4}O + H_{2}O}$
(6)$\ce{CO_{2}}$
【解析】 (1)转化①中,$\ce{CaC_{2}O_{4}}$加热后生成$\ce{CaCO_{3}}$的同时还生成一种有毒的气体,根据质量守恒定律,化学反应前后元素的种类不变,则生成的有毒气体中含 C 元素,即该有毒气体是 CO。
(2)由转化②可以看出,直接热解$\ce{CaCO_{3}}$生成 CaO 需加热至800~1 000 ℃,而“再生”反应只需600 ℃即可完成,因此“再生”反应较直接热解$\ce{CaCO_{3}}$生成 CaO 所需的能耗低。
(3)由题图可知,该过程的实质是光催化分解水生成氢气和氧气,即$2\ce{H_{2}O}\xlongequal[催化剂]{光照}2\ce{H_{2}}↑ + \ce{O_{2}}↑$,则分解生成$\ce{H_{2}}$和$\ce{O_{2}}$的体积比为2:1。
(4)①由图2可以看出,钛的三种氧化物催化$\ce{NaBH_{4}}$水解产生$\ce{H_{2}}$时,相同条件下三氧化二钛($\ce{Ti_{2}O_{3}}$)作催化剂时,$\ce{H_{2}}$产生速率最高,即催化效果最好。②由硼氢化钠水解制氢的反应可以看出,若能将反应产物$\ce{NaBO_{2}}$还原为原料$\ce{NaBH_{4}}$或寻找价格低廉的硼氢化物水解制氢,可有效化解$\ce{NaBH_{4}}$价格昂贵的问题。
(5)“催化加氢”的过程是将$\ce{CO_{2}}$和$\ce{H_{2}}$在催化剂的作用下合成甲醇($\ce{CH_{4}O}$)和$\ce{H_{2}O}$的过程,反应的化学方程式为$\ce{CO_{2} + 3H_{2}\xlongequal{催化剂}CH_{4}O + H_{2}O}$。
(6)“催化释氢”过程是“催化加氢”的逆反应,即发生反应的化学方程式为$\ce{CH_{4}O + H_{2}O\xlongequal{催化剂}CO_{2} + 3H_{2}}$,该反应生成$\ce{CO_{2}}$和$\ce{H_{2}}$的分子个数比为1:3;而由$\ce{CO_{2}}$和$\ce{H_{2}}$在催化作用下合成乙酸($\ce{C_{2}H_{4}O_{2}}$)的过程中,发生反应的化学方程式为$2\ce{CO_{2} + 4H_{2}\xlongequal{催化剂}C_{2}H_{4}O_{2} + 2H_{2}O}$,该反应中参加反应的$\ce{CO_{2}}$和$\ce{H_{2}}$的分子个数比为2:4 = 1:2,则由催化释氢的产物催化合成乙酸时$\ce{H_{2}}$过量,因此需添加$\ce{CO_{2}}$以促进$\ce{H_{2}}$完全反应。
解析
【分析】
1. 对于(1)：根据质量守恒定律，化学反应前后元素种类不变，转化①中CaC₂O₄分解生成CaCO₃和有毒气体，有毒气体含C、O元素，故为CO；
2. 对于(2)：对比直接热解CaCO₃的温度（800~1000℃）和再生反应的温度（600℃），温度越低能耗越低，因此优点是能耗低；
3. 对于(3)：光催化水制氢的本质是分解水，反应式为2H₂O$\xlongequal[催化剂]{光照}$2H₂↑+O₂↑，同温同压下气体体积比等于分子数比，故H₂和O₂体积比为2:1；
4. 对于(4)①：从图像可知，相同条件下Ti₂O₃作催化剂时产氢速率最快，催化效率最好；②：要解决NaBH₄价格昂贵的问题，可将产物NaBO₂还原为原料NaBH₄，或寻找廉价硼氢化物；
5. 对于(5)：催化加氢是CO₂和H₂在催化剂下生成甲醇和水，根据原子守恒配平即可；
6. 对于(6)：催化释氢生成CO₂和H₂的分子比为1:3，合成乙酸需要CO₂和H₂的分子比为1:2，H₂过量，故需添加CO₂促进H₂完全反应。
【解析】
(1) 转化①中，CaC₂O₄分解生成CaCO₃和有毒气体，根据质量守恒定律，反应前后元素种类不变，CaC₂O₄含Ca、C、O，CaCO₃含Ca、C、O，剩余有毒气体含C、O，有毒气体为CO；
(2) 直接热解CaCO₃生成CaO需800~1000℃，“再生”反应仅需600℃，反应温度越低能耗越低，故优点是能耗低；
(3) 光催化水制氢的反应为2H₂O$\xlongequal[催化剂]{光照}$2H₂↑ + O₂↑，同温同压下气体体积比等于化学计量数之比，因此H₂和O₂体积比为2:1；
(4) ① 由图2可知，相同条件下Ti₂O₃作催化剂时，NaBH₄水解产氢速率最快，催化效率最好；② 可将产物NaBO₂还原为原料NaBH₄循环使用，或寻找价格低廉的硼氢化物降低成本；
(5) “催化加氢”是CO₂和H₂在催化剂作用下生成甲醇（CH₄O）和水，配平后化学方程式为CO₂ + 3H₂$\xlongequal{催化剂}$CH₄O + H₂O；
(6) “催化释氢”反应为CH₄O + H₂O$\xlongequal{催化剂}$CO₂ + 3H₂，生成CO₂和H₂分子数比为1:3；合成乙酸（C₂H₄O₂）的反应为2CO₂ + 4H₂$\xlongequal{催化剂}$C₂H₄O₂ + 2H₂O，参加反应的CO₂和H₂分子数比为1:2；释氢产物中H₂过量，故需添加CO₂促进H₂完全反应。
【答案】
(1) CO
(2) 能耗低
(3) 2:1
(4) ① Ti₂O₃；② 将反应产物NaBO₂还原为原料NaBH₄（或寻找价格低廉的硼氢化物，合理即可）
(5) CO₂ + 3H₂$\xlongequal{催化剂}$CH₄O + H₂O
(6) CO₂
【知识点】
质量守恒定律、化学方程式书写、催化剂的应用
【点评】
本题以“碳中和”热点为背景，结合多个化学核心知识点，考察学生对质量守恒、催化剂作用、化学方程式书写及计算的掌握，同时注重化学在实际生产中的应用，题目信息清晰，难度适中，能较好考查学生的分析应用能力。
【难度系数】
0.6
1. 对于(1)：根据质量守恒定律，化学反应前后元素种类不变，转化①中CaC₂O₄分解生成CaCO₃和有毒气体，有毒气体含C、O元素，故为CO；
2. 对于(2)：对比直接热解CaCO₃的温度（800~1000℃）和再生反应的温度（600℃），温度越低能耗越低，因此优点是能耗低；
3. 对于(3)：光催化水制氢的本质是分解水，反应式为2H₂O$\xlongequal[催化剂]{光照}$2H₂↑+O₂↑，同温同压下气体体积比等于分子数比，故H₂和O₂体积比为2:1；
4. 对于(4)①：从图像可知，相同条件下Ti₂O₃作催化剂时产氢速率最快，催化效率最好；②：要解决NaBH₄价格昂贵的问题，可将产物NaBO₂还原为原料NaBH₄，或寻找廉价硼氢化物；
5. 对于(5)：催化加氢是CO₂和H₂在催化剂下生成甲醇和水，根据原子守恒配平即可；
6. 对于(6)：催化释氢生成CO₂和H₂的分子比为1:3，合成乙酸需要CO₂和H₂的分子比为1:2，H₂过量，故需添加CO₂促进H₂完全反应。
【解析】
(1) 转化①中，CaC₂O₄分解生成CaCO₃和有毒气体，根据质量守恒定律，反应前后元素种类不变，CaC₂O₄含Ca、C、O，CaCO₃含Ca、C、O，剩余有毒气体含C、O，有毒气体为CO；
(2) 直接热解CaCO₃生成CaO需800~1000℃，“再生”反应仅需600℃，反应温度越低能耗越低，故优点是能耗低；
(3) 光催化水制氢的反应为2H₂O$\xlongequal[催化剂]{光照}$2H₂↑ + O₂↑，同温同压下气体体积比等于化学计量数之比，因此H₂和O₂体积比为2:1；
(4) ① 由图2可知，相同条件下Ti₂O₃作催化剂时，NaBH₄水解产氢速率最快，催化效率最好；② 可将产物NaBO₂还原为原料NaBH₄循环使用，或寻找价格低廉的硼氢化物降低成本；
(5) “催化加氢”是CO₂和H₂在催化剂作用下生成甲醇（CH₄O）和水，配平后化学方程式为CO₂ + 3H₂$\xlongequal{催化剂}$CH₄O + H₂O；
(6) “催化释氢”反应为CH₄O + H₂O$\xlongequal{催化剂}$CO₂ + 3H₂，生成CO₂和H₂分子数比为1:3；合成乙酸（C₂H₄O₂）的反应为2CO₂ + 4H₂$\xlongequal{催化剂}$C₂H₄O₂ + 2H₂O，参加反应的CO₂和H₂分子数比为1:2；释氢产物中H₂过量，故需添加CO₂促进H₂完全反应。
【答案】
(1) CO
(2) 能耗低
(3) 2:1
(4) ① Ti₂O₃；② 将反应产物NaBO₂还原为原料NaBH₄（或寻找价格低廉的硼氢化物，合理即可）
(5) CO₂ + 3H₂$\xlongequal{催化剂}$CH₄O + H₂O
(6) CO₂
【知识点】
质量守恒定律、化学方程式书写、催化剂的应用
【点评】
本题以“碳中和”热点为背景，结合多个化学核心知识点，考察学生对质量守恒、催化剂作用、化学方程式书写及计算的掌握，同时注重化学在实际生产中的应用，题目信息清晰，难度适中，能较好考查学生的分析应用能力。
【难度系数】
0.6
