緊扣熱點物質(zhì) 注重素養(yǎng)考查

江蘇 徐 涵 陳仕功

溫室效應(yīng)和全球氣候變暖一直是世界各國普遍關(guān)注的，減少二氧化碳的排放已是必然選擇，科學家預(yù)測，如果現(xiàn)在開始有節(jié)制地對樹木進行采伐，到2040年，全球暖化會降低5%。《普通高中化學課程標準(2017年版)》也要求學生具有節(jié)約資源、保護環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展意識，從自身做起，形成簡約適度、綠色低碳的生活方式。近幾年的高考試題順應(yīng)這一趨勢，圍繞CO2多維考查的試題較多，體現(xiàn)了對學生科學態(tài)度和社會責任素養(yǎng)的考查與培養(yǎng)。

一、關(guān)注熱點，增強社會責任

《京都議定書》是1997年12月在日本京都由聯(lián)合國氣候變化框架公約參加國三次會議制定的，其目標是“將大氣中的溫室氣體含量穩(wěn)定在一個適當?shù)乃剑M而防止劇烈的氣候改變對人類造成傷害”。

【例1】(2018·江蘇·1)CO2是自然界碳循環(huán)中的重要物質(zhì)。下列過程會引起大氣中CO2含量上升的是

( )

A.光合作用 B.自然降雨

C.化石燃料的燃燒 D.碳酸鹽的沉積

【答案】C

該類試題注重考查化學與環(huán)境保護、低碳經(jīng)濟等，樹立綠水青山就是金山銀山的理念，倡導可持續(xù)發(fā)展的理念。

二、綠色轉(zhuǎn)化，貢獻化學智慧

在改造了基因結(jié)構(gòu)的微生物的幫助下，可將二氧化碳轉(zhuǎn)化成可以作為汽車、內(nèi)燃機燃料的異丁醇和異戊醇，使二氧化碳實現(xiàn)不可思議的“反向燃燒”和“閉合循環(huán)”，提高了二氧化碳高附加值的利用水平。

【例2】(2018·北京·7)我國科研人員提出了由CO2和CH4轉(zhuǎn)化為高附加值產(chǎn)品CH3COOH的催化反應(yīng)歷程。該歷程示意圖如下：

下列說法不正確的是

( )

A.生成CH3COOH總反應(yīng)的原子利用率為100%

B.CH4→CH3COOH過程中，有C—H鍵發(fā)生斷裂

C.①→②放出能量并形成了C—C鍵

D.該催化劑可有效提高反應(yīng)物的平衡轉(zhuǎn)化率

【答案】D

新型的CO2利用技術(shù)，即超臨界CO2萃取技術(shù)(CO2-SFE)，可生產(chǎn)高附加值的產(chǎn)品，且廉價、無毒、安全、高效。利用水熱反應(yīng)，在2.20×104kPa、374℃時，水成為“超臨界狀態(tài)”，將CO2轉(zhuǎn)化為有機物，生物質(zhì)在地下高溫高壓條件下通過水熱反應(yīng)可生成石油、煤等礦物能源。

三、變廢為寶，提升創(chuàng)新意識

CO2的電化學轉(zhuǎn)化可利用波谷電或可再生能源將CO2轉(zhuǎn)化成高附加值的化學品或其他液態(tài)燃料，是一條能源存儲及碳元素循環(huán)利用的綠色途徑，對人類的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

【例3】(2018·天津·10)CO2是一種廉價的碳資源，其綜合利用具有重要意義。回答下列問題：

(2)O2輔助的Al-CO2電池工作原理如圖所示。該電池電容量大，能有效利用CO2，電池反應(yīng)產(chǎn)物Al2(C2O4)3是重要的化工原料。

電池的負極反應(yīng)式：____________________。

反應(yīng)過程中O2的作用是________。該電池的總反應(yīng)式：________。

作為“碳捕獲和利用”新技術(shù)，利用生物電化學系統(tǒng)還原二氧化碳生產(chǎn)甲烷和乙酸并利用陰極極化電勢對微生物代謝產(chǎn)物進行調(diào)控的方法，對二氧化碳進行活化，合成出甲烷、甲醇、甲酸。富養(yǎng)羅爾斯通氏菌H16利用乙酰輔酶A，以二氧化碳作為原料或零件，將其拼裝成含4個碳或5個碳的高能量有機化合物，形成如異丁醇、異戊醇等有機化合物。

四、節(jié)能減排，明晰平衡思想

甲烷和二氧化碳作為碳源，可以在一定條件下轉(zhuǎn)化為合成氣(CO和H2)，即稱之為甲烷-二氧化碳重整或者干重整。相比較傳統(tǒng)的甲烷蒸氣重整，甲烷-二氧化碳重整幾乎不消耗水，而是大量利用二氧化碳，降低能耗的同時還緩解溫室氣體減排壓力，受到世界的廣泛關(guān)注。

【例4】(2018·全國卷Ⅱ·27)CH4-CO2催化重整不僅可以得到合成氣(CO和H2)，還對溫室氣體的減排具有重要意義。回答下列問題：

該催化重整反應(yīng)的ΔH=________kJ·mol-1。有利于提高CH4平衡轉(zhuǎn)化率的條件是________。

A.高溫低壓 B.低溫高壓

C.高溫高壓 D.低溫低壓

某溫度下，在體積為2 L的容器中加入2 mol CH4、1 mol CO2以及催化劑進行重整反應(yīng)，達到平衡時CO2的轉(zhuǎn)化率是50%，其平衡常數(shù)為________mol2·L-2。

(2)反應(yīng)中催化劑活性會因積碳反應(yīng)而降低，同時存在的消碳反應(yīng)則使積碳量減少。

相關(guān)數(shù)據(jù)如表：

積碳反應(yīng)CH4(g)C(s)+2H2(g)消碳反應(yīng)CO2(g)+C(s)2CO(g)ΔH/(kJ·mol-1)75172活化能/(kJ·mol-1)催化劑X3391催化劑Y4372

①由上表判斷，催化劑X________(填“優(yōu)于”或“劣于”)Y，理由是________________。

在反應(yīng)進料氣組成、壓強及反應(yīng)時間相同的情況下，某催化劑表面的積碳量隨溫度的變化關(guān)系如圖所示。升高溫度時，下列關(guān)于積碳反應(yīng)、消碳反應(yīng)的平衡常數(shù)(K)和速率(v)的敘述正確的是________(填標號)。

A.K積、K消均增加

B.v積減小，v消增加

C.K積減小，K消增加

D.v消增加的倍數(shù)比v積增加的倍數(shù)大

②在一定溫度下，測得某催化劑上沉積碳的生成速率方程為v=k·p(CH4)·[p(CO2)]-0.5(k為速率常數(shù))。在p(CH4)一定時，不同p(CO2)下積碳量隨時間的變化趨勢如圖所示，則pa(CO2)、pb(CO2)、pc(CO2)從大到小的順序為____________。

起始濃度(mol/L) 1 0.5 0 0

轉(zhuǎn)化濃度(mol/L) 0.25 0.25 0.5 0.5

平衡濃度(mol/L) 0.75 0.25 0.5 0.5

(2)①根據(jù)表中數(shù)據(jù)可知相對于催化劑X，催化劑Y積碳反應(yīng)的活化能大，積碳反應(yīng)的速率小；而消碳反應(yīng)活化能相對小，消碳反應(yīng)速率大，所以催化劑X劣于Y。

正反應(yīng)均是吸熱反應(yīng)，升高溫度平衡向正反應(yīng)方向進行，因此K積、K消均增加，A正確；升高溫度反應(yīng)速率均增大，B錯誤；根據(jù)A中分析可知C錯誤；積碳量達到最大值以后再升高溫度積碳量降低，這說明v消增加的倍數(shù)比v積增加的倍數(shù)大，D正確。

②根據(jù)反應(yīng)速率方程式可知在p(CH4)一定時，生成速率隨p(CO2)的升高而降低，所以根據(jù)圖象可知pa(CO2)、pb(CO2)、pc(CO2)從大到小的順序為pc(CO2)>pb(CO2)>pa(CO2)。

甲烷超干重整指使用Ni、CaO/Al2O3和Fe3O4/MgAl2O4三種催化劑，利用氧化還原反應(yīng)的過程將含氫物種(水)與含碳物種分離，拉動了平衡，提高了二氧化碳的轉(zhuǎn)化率，得到了富一氧化碳的產(chǎn)物。

二氧化碳雖然是最主要的溫室氣體，但也是一種“碳源”，借助科技手段將其“變廢為寶”，把二氧化碳轉(zhuǎn)化為甲醇、甲酸等液體燃料，實現(xiàn)“人工碳循環(huán)”，不僅能緩解碳排放引發(fā)的溫室效應(yīng)，還將成為理想的能源補充形式，引領(lǐng)新一代能源革命。