二氧化碳的资源化利用

孟凡盛

CO2是地球上取之不尽用之不竭的碳源，将CO2应用于工业生产中，不仅可以减少温室效应，还能化解能源危机，起到化害为利，变废为宝的作用。这部分知识符合考试大纲要求，必将成为高考命题新的热点。

一、用NH3捕获CO2

例1 CO2的资源化利用是解决温室效应的重要途径。以下是在一定条件下用NH3捕获CO2生成重要化工产品三聚氰胺的反应：

NH3+CO2→+H2O

下列有关三聚氰胺的说法正确的是（ ）

A.分子式为C3H6N3O3

B.分子中既含极性键，又含非极性键

C.属于共价化合物

D.生成该物质的上述反应为中和反应

【解析】三聚氰胺的分子式为C3H3N3O3，A错。分子中只有极性键没有非极性键，B错。酸与碱反应生成盐和水是中和反应，上述反应没有盐生成，不是中和反应，D错。

【答案】C

二、人工光合作用与绿色化学

例2 人工光合作用能够借助太阳能，用CO2和H2O制备化学原料。

（1）如图是通过人工光合作用制备HCOOH的原理示意图。

该过程 （填“是”或“不是”）将化学能转化为电能；催化剂a表面发生 （填“氧化”或“还原”）反应，催化剂b表面的反应式为 。

（2）科学家设计了如图所示的人工光合作用工作原理示意图制备甲醇，金属电极上的反应式为 ，总反应的方程式为 。若光催化剂为氮化镓半导体，请写出氮化镓的化学式 ，并指出镓在元素周期表的位置 。

（3）用人工光合作用制备的CH3OH和H2O2为原料，设计了如图所示的燃料电池，图中A处加入的物质是 ，Y电极上发生的反应是 ，电池工作时H+由 极移向 极（填“X”或“Y”）。

【解析】本题以CO2的资源化利用为素材，把无机知识与有机知识整合在一起设计试题，体现了高考试题设计的新趋势。

（1） 人工光合作用的能量转化方式是将光能转化为化学能，考生易误认为是将光能转化为电能，该图也不是原电池示意图。图中催化剂a表面应该是H2O失去电子发生氧化反应生成H+和O2；催化剂b表面则是CO2得到电子同时结合移动过来的H+生成甲酸：CO2 +2H++

2e-=HCOOH。

（2）由图知：金属电极上反应微粒是CO2、H+、e_，生成的微粒是CH3OH，隐含着CO2中+4价的碳得到电子被还原为CH3OH中-2价碳（1 mol CO2得到6 mol e_）的化学意义，写出并配平还原反应：CO2+6e-+6H+=

CH3OH+H2O。

氮是ⅤA的非金属元素，显-3价，镓是ⅢA的金属元素显+3价，二者恰好形成原子个数比为1∶1的GaN。镓位于元素周期表中第四周期IIIA族。

（3）由图可知X极电子流出，说明X是负极，初步判断X极加入的应该是燃料（还原剂） CH3OH，其电极反应式为CH3OH+H2O-6e-= CO2+6H+。向Y电极上加入的是氧化剂H2O2，电解质为酸，正极上应该是-1价的氧原子得到电子生成-2价的氧原子，进一步结合H+生成H2O：H2O2+2e-+2H+=2H2O。由以上电极反应知：负极生成H+，正极消耗H+，因此H+在电解质中由负极（X）移到正极（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（如图）是由阳光驱动的“活的化工厂”，其效率极高，可以在常温常压下实现对CO2 等温室气体的高效吸收。微藻的生长必须提供足够的水、CO2 （碳肥）和氮肥，石油化学工业排放大量的烟气和废水，其中富含CO2 和NOx。利用微藻生产生物能源与化学品可以同时达到替代化石能源和减少温室气体排放的双重目的。

（1）工业废气中的NO2易溶于NaOH溶液形成硝酸盐与亚硝酸盐，从而被微藻吸收利用，写出含NO2的工业废气与NaOH溶液反应的主要化学方程式 。

（2）下图为分别将空气和含NO2的工业废气直接通入藻液中产油微藻的生长曲线，曲线II为通入 ，理由是 。

【解析】（1）NO2与NaOH溶液发生歧化反应生成NaNO3和NaNO2。

（2）曲线II的生长速率快些，说明反应物（氮肥）浓度大，故曲线II通入的是含NO2的工业废气。

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

（2）工业废气 微藻利用工业废气中的CO2和NO2作为生长的碳肥和氮肥

三、制甲醇等燃料

例4 控制和治理CO2、SO2是解决温室效应、减少酸雨的有效途径。有学者设想以如图装置用电化学原理将CO2、SO2转化为重要的化工原料。

（1）若A为CO2，B为H2，C为CH3OH，则负极是 （填“a”或“b”），正极的电极反应式为 。

（2）若A为SO2，B为O2，C为H2SO4，则负极的电极反应式为 。电池总反应式为 。科研人员希望每分钟从c处获得100 mL 10 mol/L H2SO4，a处通入废气（SO2的体积分数为1%）的速率为 L/min（标准状况）。

【解析】（1）通入还原剂H2的b电极是负极，通入氧化剂CO2的a电极是正极，酸性溶液中+4价C（CO2）得到6e-被还原为-2价C（CH3OH）。

（2）通入还原剂SO2的a极为负极，电极反应式为SO2+ 2H2O- 2e-=4H++SO42-；通入氧化剂O2的正极反应式为O2+4e-+4H+=2H2O。负极反应式乘以2与正极反应式相加就得到电池总反应式：2SO2+ O2+2H2O=2H2SO4。欲使c处每分钟得到1 mol H2SO4，则每分钟通入的废气中应含有1 mol SO2，需要标准状况下22.4 L SO2，因为废气中SO2的体积分数为1%，故每分钟通入废气的体积为2240 L。

【答案】（1）b CO2+6H++6e-=CH3OH+H2O

（2）SO2+ 2H2O- 2e-=4H++SO42-

2SO2+ O2+2H2O=2 H2SO4 2240