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(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，不僅可以減少溫室效應(yīng)，還能化解能源危機(jī)，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(diǎn)。

一、用NH3捕獲CO2

例1 CO2的資源化利用是解決溫室效應(yīng)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(chǎn)品三聚氰胺的反應(yīng)：

NH3+CO2→+H2O

下列有關(guān)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(zhì)的上述反應(yīng)為中和反應(yīng)

【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(yīng)生成鹽和水是中和反應(yīng)，上述反應(yīng)沒有鹽生成，不是中和反應(yīng)，D錯。

【答案】C

二、人工光合作用與綠色化學(xué)

例2 人工光合作用能夠借助太陽能，用CO2和H2O制備化學(xué)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(xué)能轉(zhuǎn)化為電能；催化劑a表面發(fā)生 （填“氧化”或“還原”）反應(yīng)，催化劑b表面的反應(yīng)式為 。

（2）科學(xué)家設(shè)計(jì)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(yīng)式為 ，總反應(yīng)的方程式為 。若光催化劑為氮化鎵半導(dǎo)體，請寫出氮化鎵的化學(xué)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(shè)計(jì)了如圖所示的燃料電池，圖中A處加入的物質(zhì)是 ，Y電極上發(fā)生的反應(yīng)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(jī)知識與有機(jī)知識整合在一起設(shè)計(jì)試題，體現(xiàn)了高考試題設(shè)計(jì)的新趨勢。

（1） 人工光合作用的能量轉(zhuǎn)化方式是將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，考生易誤認(rèn)為是將光能轉(zhuǎn)化為電能，該圖也不是原電池示意圖。圖中催化劑a表面應(yīng)該是H2O失去電子發(fā)生氧化反應(yīng)生成H+和O2；催化劑b表面則是CO2得到電子同時結(jié)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(yīng)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(xué)意義，寫出并配平還原反應(yīng)：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(shù)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(fù)極，初步判斷X極加入的應(yīng)該是燃料（還原劑） CH3OH，其電極反應(yīng)式為CH3OH+H2O-6e-= CO2+6H+。向Y電極上加入的是氧化劑H2O2，電解質(zhì)為酸，正極上應(yīng)該是-1價的氧原子得到電子生成-2價的氧原子，進(jìn)一步結(jié)合H+生成H2O：H2O2+2e-+2H+=2H2O。由以上電極反應(yīng)知：負(fù)極生成H+，正極消耗H+，因此H+在電解質(zhì)中由負(fù)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(qū)動的“活的化工廠”，其效率極高，可以在常溫常壓下實(shí)現(xiàn)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(xué)工業(yè)排放大量的煙氣和廢水，其中富含CO2 和NOx。利用微藻生產(chǎn)生物能源與化學(xué)品可以同時達(dá)到替代化石能源和減少溫室氣體排放的雙重目的。

（1）工業(yè)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(yè)廢氣與NaOH溶液反應(yīng)的主要化學(xué)方程式 。

（2）下圖為分別將空氣和含NO2的工業(yè)廢氣直接通入藻液中產(chǎn)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(fā)生歧化反應(yīng)生成NaNO3和NaNO2。

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

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

（2）工業(yè)廢氣 微藻利用工業(yè)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(yīng)、減少酸雨的有效途徑。有學(xué)者設(shè)想以如圖裝置用電化學(xué)原理將CO2、SO2轉(zhuǎn)化為重要的化工原料。

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

（2）若A為SO2，B為O2，C為H2SO4，則負(fù)極的電極反應(yīng)式為 。電池總反應(yīng)式為 ?？蒲腥藛T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?jǐn)?shù)為1%）的速率為 L/min（標(biāo)準(zhǔn)狀況）。

【解析】（1）通入還原劑H2的b電極是負(fù)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(fù)極，電極反應(yīng)式為SO2+ 2H2O- 2e-=4H++SO42-；通入氧化劑O2的正極反應(yīng)式為O2+4e-+4H+=2H2O。負(fù)極反應(yīng)式乘以2與正極反應(yīng)式相加就得到電池總反應(yīng)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(yīng)含有1 mol SO2，需要標(biāo)準(zhǔn)狀況下22.4 L SO2，因?yàn)閺U氣中SO2的體積分?jǐn)?shù)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