关注碳排放 关注CO2的综合利用——以2020—2021年高考真题为例

江西 张万程 管晓玲

近年来，由于全球经济的快速发展，工业化和城市化进程快速推进，全球CO2排放量持续增加，由CO2排放带来的全球环境问题日益引起国际社会的广泛关注。中国政府在第七十五届联合国大会上提出：“中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”。CO2是初中化学的重要知识点，内容涉及CO2的制备、性质、检验、除杂、用途及其对环境的影响等，高中化学以初中所学碳及其化合物知识为基础，对碳族元素及其化合物进行更深入的学习，对于涉及CO2的知识，较多学生还停留在初中的知识水平，但在历年的高考试题中，以CO2为载体的试题几乎每年均有涉及，本文对CO2可关联的知识点进行归纳，并对2020年真题进行例析，望后期对备考师生有所帮助。

一、知识归纳总结

1.CO2的分子结构：

2.CO2的物理性质：

CO2是无色、无味、无毒的气体，不助燃，空气中CO2含量达到2.5%时，火焰会熄灭。高度冷却下，CO2凝结为白色雪状晶体，压缩成块状的CO2固体称为“干冰”，分子晶体，可做制冷剂，常用于人工降雨。CO2的临界温度为304 K，加压可液化，在该温度下，可作为优良溶剂进行超临界萃取。

3.CO2的制法：

4.CO2的化学性质：

图1

二、2020—2021年高考中涉及CO2的考查

表1 2020—2021年高考试题对CO2考查的统计

从2020年各卷区试题可看出，涉及CO2载体的试题题型含选择题与非选择题，所考查的内容包含CO2的制取、电化学、催化反应机理、耦合反应、化学反应原理、化学储氢等。考查形式丰富多样，充分体现高考命题的学科价值和社会价值，培养考生科学推理论证的关键能力。

三、典型试题例析

1.电化学知识选择题的考查

历年涉及CO2的电化学试题：2019年江苏卷第20题电解CO2制HCOOH、2018年全国卷Ⅰ第13题天然气中CO2和H2S的协同转化装置、2018年全国卷Ⅱ第12题“可呼吸”Na-CO2二次电池。

【例1】(2020·全国卷Ⅰ·12)科学家近年发明了一种新型Zn-CO2水介质电池。电池示意图如图2，电极为金属锌和选择性催化材料。放电时，温室气体CO2被转化为储氢物质甲酸等，为解决环境和能源问题提供了一种新途径。下列说法错误的是

图2

( )

B.放电时，1 mol CO2转化为HCOOH，转移的电子数为2 mol

D.充电时，正极溶液中OH-浓度升高

【答案】D

【解析】根据电池装置示意图进行电极反应分析，分析结果如表2。

表2

【试题点评】试题中双极隔膜表述较为简略，双极隔膜(BPM)是一种新型离子交换膜，膜主体分为阳离子交换层、阴离子交换层、中间界面层，水解离催化剂被夹在中间的离子交换聚合物中，水解产物H+和OH-在电场力的作用下快速迁移到两侧溶液中，为膜两侧的半反应提供各自理想的pH条件。试题中未明确给出双极隔膜的原理，在图2中，电解质溶液1和电解质溶液2未给出具体电解质溶质，在选项设置上，转移的电子数目和充电时的电极名称等均给考生造成了不小的困难。忽略这些问题，这道试题的价值非常高，引导高中的化学教学应从宏观把握，充分体现学科素养，培养学生的认知能力，同时本题也体现了高考命题的社会价值和学科价值。试题存在的少许缺陷，为试题改编提供了条件，如可对双极隔膜的原理、两侧电解质溶液等问题进行延伸考查。

2.CO2和CH4的耦合转化：

CO2和CH4通过耦合转化重整，可得到烃类物质、H2、CO等，以此为载体可从化学反应原理、电化学方面进行综合考查。

【例2】(2020·江苏卷·15)CH4与CO2重整生成H2和CO的过程中主要发生下列反应

在恒压、反应物起始物质的量比n(CH4)∶n(CO2)=1∶1条件下，CH4和CO2的平衡转化率随温度变化的曲线如图3所示。下列有关说法正确的是

图3

( )

A.升高温度、增大压强均有利于提高CH4的平衡转化率

B.曲线B表示CH4的平衡转化率随温度的变化

C.相同条件下，改用高效催化剂能使曲线A和曲线B相重叠

D.恒压、800 K、n(CH4)∶n(CO2)=1∶1条件下，反应至CH4转化率达到X点的值，改变除温度外的特定条件继续反应，CH4转化率能达到Y点的值

【答案】BD

【解析】由CH4与CO2重整生成H2和CO的过程中的两个主要反应可知，CH4(g)参与的反应为吸热反应，正向气体体积减小，故升高温度、减小压强能提高CH4的平衡转化率，当n(CH4)∶n(CO2)=1∶1时，CO2(g)的转化率比CH4(g)高，A项错误，B项正确；使用催化剂只能改变反应速率，不能改变平衡转化率，C项错误；欲使CH4转化率达到Y点的值，可采取增大CO2(g)的浓度或减小压强等方法，D项正确。

【例3】(2020·全国卷Ⅱ·28节选)(3)CH4和CO2都是比较稳定的分子，科学家利用电化学装置实现两种分子的耦合转化，其原理如图4所示：

图4

①阴极上的反应式为________________。

②若生成的乙烯和乙烷的体积比为2：1，则消耗的CH4和 CO2体积比为________。

【解析】根据固体电解质能传递O2-，对电解原理进行如下分析：

表3

【试题点评】由于CH4和CO2的耦合反应产物体积比不能确定，在讨论阳极电极反应时，可假定C2H4和C2H6的量，生成C2H4和C2H6的体积比不同，电路中转移的电子数目也不等。

3.以CO2和H2为原料合成CH3OH：

以CO2和H2为原料合成CH3OH可实现CO2的回收及综合利用，山东卷和天津卷均有所涉及，试题以化学反应原理题型形式出现，涉及多重反应化学平衡常数的计算以及反应条件的选择。

【例4】(2020·山东卷·18)探究CH3OH合成反应化学平衡的影响因素，有利于提高CH3OH的产率。以CO2、H2为原料合成CH3OH涉及的主要反应如下：

ΔH2=-90.4 kJ·mol-1

回答下列问题：

(1)ΔH3=________kJ·mol-1。

(2)一定条件下，向体积为VL的恒容密闭容器中通入1 mol CO2和3 mol H2发生上述反应，达到平衡时，容器中CH3OH(g)为amol，CO(g)为bmol，此时H2O(g)的浓度为________mol·L-1(用含a、b、V的代数式表示，下同)，反应Ⅲ的平衡常数为________。

(3)不同压强下，按照n(CO2)∶n(H2)=1∶3投料，实验测定CO2的平衡转化率和CH3OH的平衡产率随温度的变化关系如图5所示。

甲

乙

已知：

(4)为同时提高CO2的平衡转化率和CH3OH的平衡产率，应选择的反应条件为________(填标号)。

A.低温、高压 B.高温、低压

C.低温、低压 D.高温、高压

【答案】(1)+40.9

(3)乙p1>p2>p3T1时，以反应Ⅲ为主，反应Ⅲ前后气体分子数相等，压强改变对平衡没有影响

(4)A

【解析】(1)根据盖斯定律，反应Ⅲ=反应Ⅰ-反应Ⅱ，即ΔH3=ΔH1-ΔH2，带入数据可得ΔH3=+40.9 kJ·mol-1；

(3)由于反应Ⅰ和反应Ⅱ有CH3OH(g)生成且均为放热反应，随着温度升高，CH3OH(g)的产率逐渐降低，符合图甲曲线变化趋势，则图乙表示CO2(g)的平衡转化率；压强越大，CO2(g)的平衡转化率及CH3OH(g)的产率均增大，则有p1>p2>p3；温度升高对ΔH>0的反应有利，当温度为T1时，以反应Ⅲ为主，反应Ⅲ前后气体分子数相等，压强改变对平衡没有影响；

(4)结合图像可知应选择低温、高压，有利于提高CO2的平衡转化率和CH3OH的平衡产率。

【试题点评】试题以CO2和H2为原料合成CH3OH为载体考查盖斯定律、化学平衡常数计算、图像的识别与反应条件的选择等知识，试题中多重反应的平衡常数的计算难度较大，如果结合三个反应计算，往往会陷入困境，可通过元素守恒等方法，得出各物质的消耗量和剩余量，使问题柳暗花明。

4.以CO2为原料制取烯烃：

CO2具有弱氧化性，可催化加氢制取乙烯，亦可氧化C2H6制取烯烃，浙江7月选考第29题考查了CO2氧化C2H6制取C2H4，体现对资源的综合利用。

【例5】(2020·全国卷Ⅲ·28)二氧化碳催化加氢合成乙烯是综合利用CO2的热点研究领域。回答下列问题：

(1)CO2催化加氢生成乙烯和水的反应中，产物的物质的量之比n(C2H4)∶n(H2O)=________。当反应达到平衡时，若增大压强，则n(C2H4)________(填“变大”“变小”或“不变”)。

(2)理论计算表明，原料初始组成n(CO2)∶n(H2)=1∶3，在体系压强为0.1 MPa，反应达到平衡时，四种组分的物质的量分数x随温度T的变化如图6所示。

图6

图6中，表示C2H4、CO2变化的曲线分别是________、________。CO2催化加氢合成C2H4反应的ΔH________0(填“大于”或“小于”)。

(3)根据图6中点A(440 K，0.39)，计算该温度时反应的平衡常数Kp=________(MPa)-3(列出计算式。以分压表示，分压=总压×物质的量分数)。

(4)二氧化碳催化加氢合成乙烯反应往往伴随副反应，生成C3H6、C3H8、C4H8等低碳烃。一定温度和压强条件下，为了提高反应速率和乙烯选择性，应当________________。

【答案】(1)1∶4 变大

(2)d c 小于

(4)选择合适的催化剂

(4)不同的催化剂对反应有不同的选择性，可生成不同的产物，且能提高反应速率，在一定的温度和压强下，可选择合适的催化剂以提高反应速率和乙烯选择性。

【试题点评】试题中原料投料比与反应物的化学计量数之比一致，故从反应开始到平衡时，各物质的比值均保持恒定，反应的热效应未知，故图中减小趋势的曲线并不代表反应物，仔细阅读试题可知曲线发生变化是达到平衡时，升高温度的变化曲线，结合各物质的比值进行判断分析曲线所属及计算Kp。

四、以CO2为载体的原创试题

CO2作为一种温室气体，减少其在空气中的含量或从源头上减少排放是科研的热点，可通过电化学还原法将CO2还原为各种有机化合物或合成气。

【原创试题1】“十三五”期间中国应对气候变化工作取得显著成效，并向国际社会承诺2030年“碳达峰”，2060年实现“碳中和”。CO2的回收及综合利用越来越受到国际社会的重视，将CO2转化为高附加值化学品已成为有吸引力的解决方案。

Ⅰ.CO2合成二甲醚(DME)：

(1)合成二甲醚反应：

则合成二甲醚的反应的ΔH=________kJ/mol。

图7

(3)在503 K时，当以氢碳比为0.9时合成二甲醚(如图8)，则化学平衡常数Kp=________MPa-4(用气体的平衡分压代替物质的量浓度计算压强平衡常数Kp，气体分压=气体总压×各气体的体积分数，列出表达式)。

图8

Ⅱ.CO2合成甲醇(MT)：

ΔH=+41.17 kJ/mol

在不同条件下CO2平衡转化率和甲醇的平衡产率如图9所示：

图9

①由图9可知，CO2平衡转化率随反应温度的升高________，原因是________________。

②温度升高甲醇的平衡产率降低的原因是_______________________。

Ⅲ.我国科研团队研究发现使用GaZrOx双金属氧化物催化剂实现CO2加氢制MT和DME的活性明显优于纯Ga2O3和ZrO2催化剂，其反应机理如图10所示：

图10

(5)下列有关叙述正确的是________。

a.步骤a→b有化学键的断裂和形成

b.氧空位用于捕获CO2，氧空位越多，速率越快

c.整个催化过程中，Zr元素的化合价未发生变化

d.过渡态C中甲酸盐物种通过氢化或水解可得MT和DME

【命题意图】试题以CO2合成二甲醚和甲醇载体，考查化学反应原理相关知识，考查的知识点包括盖斯定律的应用、图像的分析、化学平衡常数的计算、图像变化原因的分析、催化反应机理的分析等，引入催化过程中氧空位概念，考查考生获取信息、应用信息解决问题的能力、论证推理的能力，渗透对科学探究与创新意识、变化观念与平衡思想、证据推理与模型认知等学科核心素养的考查。

【答案】Ⅰ.(1)-122.54

(2)d>c>b>a

Ⅱ.(4)①先减小后增大 CO2合成甲醇和逆水煤气反应相互竞争，当温度较低时，合成甲醇反应起主要作用，反应放热温度升高，CO2平衡转化率降低；当温度继续升高，逆水煤气反应起主要作用，反应吸热温度升高CO2平衡转化率升高

②CO2合成甲醇与CO合成甲醇反应均为放热反应，升高温度平衡逆向移动，甲醇平衡产率降低

五、总结