二氧化碳的資源化利用

孟凡盛

CO2是地球上取之不盡用之不竭的碳源，將CO2應用于工業生產中，不僅可以減少溫室效應，還能化解能源危機，起到化害為利，變廢為寶的作用。這部分知識符合考試大綱要求，必將成為高考命題新的熱點。

一、用NH3捕獲CO2

例1 CO2的資源化利用是解決溫室效應的重要途徑。以下是在一定條件下用NH3捕獲CO2生成重要化工產品三聚氰胺的反應：

NH3+CO2→+H2O

下列有關三聚氰胺的說法正確的是（ ）

A.分子式為C3H6N3O3

B.分子中既含極性鍵，又含非極性鍵

C.屬于共價化合物

D.生成該物質的上述反應為中和反應

【解析】三聚氰胺的分子式為C3H3N3O3，A錯。分子中只有極性鍵沒有非極性鍵，B錯。酸與堿反應生成鹽和水是中和反應，上述反應沒有鹽生成，不是中和反應，D錯。

【答案】C

二、人工光合作用與綠色化學

例2 人工光合作用能夠借助太陽能，用CO2和H2O制備化學原料。

（1）如圖是通過人工光合作用制備HCOOH的原理示意圖。

該過程 （填“是”或“不是”）將化學能轉化為電能；催化劑a表面發生 （填“氧化”或“還原”）反應，催化劑b表面的反應式為 。

（2）科學家設計了如圖所示的人工光合作用工作原理示意圖制備甲醇，金屬電極上的反應式為 ，總反應的方程式為 。若光催化劑為氮化鎵半導體，請寫出氮化鎵的化學式 ，并指出鎵在元素周期表的位置 。

（3）用人工光合作用制備的CH3OH和H2O2為原料，設計了如圖所示的燃料電池，圖中A處加入的物質是 ，Y電極上發生的反應是 ，電池工作時H+由 極移向 極（填“X”或“Y”）。

【解析】本題以CO2的資源化利用為素材，把無機知識與有機知識整合在一起設計試題，體現了高考試題設計的新趨勢。

（1） 人工光合作用的能量轉化方式是將光能轉化為化學能，考生易誤認為是將光能轉化為電能，該圖也不是原電池示意圖。圖中催化劑a表面應該是H2O失去電子發生氧化反應生成H+和O2；催化劑b表面則是CO2得到電子同時結合移動過來的H+生成甲酸：CO2 +2H++

2e-=HCOOH。

（2）由圖知：金屬電極上反應微粒是CO2、H+、e_，生成的微粒是CH3OH，隱含著CO2中+4價的碳得到電子被還原為CH3OH中-2價碳（1 mol CO2得到6 mol e_）的化學意義，寫出并配平還原反應：CO2+6e-+6H+=

CH3OH+H2O。

氮是ⅤA的非金屬元素，顯-3價，鎵是ⅢA的金屬元素顯+3價，二者恰好形成原子個數比為1∶1的GaN。鎵位于元素周期表中第四周期IIIA族。

（3）由圖可知X極電子流出，說明X是負極，初步判斷X極加入的應該是燃料（還原劑） CH3OH，其電極反應式為CH3OH+H2O-6e-= CO2+6H+。向Y電極上加入的是氧化劑H2O2，電解質為酸，正極上應該是-1價的氧原子得到電子生成-2價的氧原子，進一步結合H+生成H2O：H2O2+2e-+2H+=2H2O。由以上電極反應知：負極生成H+，正極消耗H+，因此H+在電解質中由負極（X）移到正極（Y）。

【答案】（1）不是 氧化 CO2 +2H++2e-=HCOOH

（2） CO2+6e-+6H+=CH3OH+H2O 2CO2+4H2O 2CH3OH +3O2 GaN 第四周期IIIA族

（3）CH3OH H2O2+2e-+2H+=2H2O X Y

例3 微藻（如圖）是由陽光驅動的“活的化工廠”，其效率極高，可以在常溫常壓下實現對CO2 等溫室氣體的高效吸收。微藻的生長必須提供足夠的水、CO2 （碳肥）和氮肥，石油化學工業排放大量的煙氣和廢水，其中富含CO2 和NOx。利用微藻生產生物能源與化學品可以同時達到替代化石能源和減少溫室氣體排放的雙重目的。

（1）工業廢氣中的NO2易溶于NaOH溶液形成硝酸鹽與亞硝酸鹽，從而被微藻吸收利用，寫出含NO2的工業廢氣與NaOH溶液反應的主要化學方程式 。

（2）下圖為分別將空氣和含NO2的工業廢氣直接通入藻液中產油微藻的生長曲線，曲線II為通入 ，理由是 。

【解析】（1）NO2與NaOH溶液發生歧化反應生成NaNO3和NaNO2。

（2）曲線II的生長速率快些，說明反應物（氮肥）濃度大，故曲線II通入的是含NO2的工業廢氣。

【答案】（1）2NO2 + 2NaOH=NaNO3 + NaNO2 + H2O

（2）工業廢氣 微藻利用工業廢氣中的CO2和NO2作為生長的碳肥和氮肥

三、制甲醇等燃料

例4 控制和治理CO2、SO2是解決溫室效應、減少酸雨的有效途徑。有學者設想以如圖裝置用電化學原理將CO2、SO2轉化為重要的化工原料。

（1）若A為CO2，B為H2，C為CH3OH，則負極是 （填“a”或“b”），正極的電極反應式為 。

（2）若A為SO2，B為O2，C為H2SO4，則負極的電極反應式為 。電池總反應式為 。科研人員希望每分鐘從c處獲得100 mL 10 mol/L H2SO4，a處通入廢氣（SO2的體積分數為1%）的速率為 L/min（標準狀況）。

【解析】（1）通入還原劑H2的b電極是負極，通入氧化劑CO2的a電極是正極，酸性溶液中+4價C（CO2）得到6e-被還原為-2價C（CH3OH）。

（2）通入還原劑SO2的a極為負極，電極反應式為SO2+ 2H2O- 2e-=4H++SO42-；通入氧化劑O2的正極反應式為O2+4e-+4H+=2H2O。負極反應式乘以2與正極反應式相加就得到電池總反應式：2SO2+ O2+2H2O=2H2SO4。欲使c處每分鐘得到1 mol H2SO4，則每分鐘通入的廢氣中應含有1 mol SO2，需要標準狀況下22.4 L SO2，因為廢氣中SO2的體積分數為1%，故每分鐘通入廢氣的體積為2240 L。

【答案】（1）b CO2+6H++6e-=CH3OH+H2O

（2）SO2+ 2H2O- 2e-=4H++SO42-

2SO2+ O2+2H2O=2 H2SO4 2240