Question

17．“溫室效應”是全球關注的環(huán)境問題之一．CO₂是目前大氣中含量最高的一種溫室氣體，CO₂的綜合利用是解決溫室及能源問題的有效途徑．
（1）研究表明CO₂和H₂在催化劑存在下可發(fā)生反應生成CH₃OH．己知部分反應的熱化學方程式如下：
CH₃OH（g）+$\frac{3}{2}$O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（1）△H₁=akJ•mol^-1
H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=H₂O（1）△H₂=bkJ•mol^-1
H₂O（g）=H₂O（l）△H₃=ckJ•mol^-1
則 CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=3b-a-ckJ•mol^-1
（2）CO₂催化加氫也能合成低碳烯烴：2CO₂（g）+6H₂（g）?C₂H₄（g）+4H₂O （g），不同溫度下平衡時的四種氣態(tài)物質(zhì)的物質(zhì)的量如圖1所示，曲線b表示的物質(zhì)為H₂O （寫化學式）．
（3）CO₂和H₂在催化劑Cu/ZnO作用下可發(fā)生兩個平行反應，分別生成CH₃OH和CO．
反應 A：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）
反應B：CO₂（g）+H₂（g）?CO（g）+H₂O（g）
控制CO₂和H₂初始投料比為1：3時，溫度對CO₂平衡轉(zhuǎn)化率及甲醇和CO產(chǎn)率的影響如圖2所示．
①由圖2可知溫度升高CO的產(chǎn)率上升，其主要原因可能是反應B正反應是吸熱反應，溫度升高平衡正向移動，CO產(chǎn)率升高．
②由圖2可知獲取CH₃OH最適宜的溫度是250℃，下列措施有利于提高CO₂轉(zhuǎn)化為CH₃OH的平衡轉(zhuǎn)化率的措施有BD．
A．使用催化劑                     B．增大體系壓強
C．增大CO₂和H₂的初始投料比      D．投料比不變和容器體積不變，增加反應物的濃度
（4）在催化劑表面通過施加電壓可將溶解在水中的二氧化碳直接轉(zhuǎn)化為乙醇，則生成乙醇的電極反應式為2CO₂+12H⁺+12e^-=C₂H₅OH+3H₂O．
（5）由CO₂制取C的太陽能工藝如圖3所示．“熱分解系統(tǒng)”發(fā)生的反應為：2Fe₃O₄$\frac{\underline{\;2300K\;}}{\;}$6FeO+O₂↑，每分解1mol Fe₃O₄轉(zhuǎn)移電子的物質(zhì)的量為2mol；“重整系統(tǒng)”發(fā)生反應的化學方程式為6FeO（S）+CO₂$\frac{\underline{\;700K\;}}{\;}$2Fe₃O₄（S）+C．

Answer 1

分析 已知①CH₃OH（g）+$\frac{3}{2}$O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（1）△H₁=akJ•mol^-1
②H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=H₂O（1）△H₂=bkJ•mol^-1
③H₂O（g）=H₂O（l）△H₃=ckJ•mol^-1
根據(jù)蓋斯定律知，③×2+①-③得：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）；
（2）根據(jù)圖知，升高溫度，氫氣物質(zhì)的量增大，說明平衡逆向移動，則正反應是放熱反應，a曲線隨著溫度升高，物質(zhì)的量增大，為二氧化碳，b、c隨著溫度升高其物質(zhì)的量降低，為生成物水、乙烯，但水的變化量大于乙烯，據(jù)此判斷b曲線代表物質(zhì)；
（3）①反應B正反應是吸熱反應，溫度升高平衡正向移動，CO產(chǎn)率升高；
（3）②據(jù)圖示進行分析250℃甲醇轉(zhuǎn)化率最高；由CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H₁=-53.7kJ•mol^-8 可知提高CO₂轉(zhuǎn)化為CH₃OH平衡轉(zhuǎn)化率，應使平衡向正向移動，可降低溫度，增大濃度；
（4）電解時，二氧化碳在b極上得電子發(fā)生還原反應生成乙醇；
（5）該反應中Fe元素化合價由+3價變?yōu)?2價，O元素化合價由-2價變?yōu)?價，根據(jù)轉(zhuǎn)移電子和Fe₃O₄之間的關系式計算；根據(jù)圖知，反應物是二氧化碳和FeO，生成物的四氧化三鐵和C，反應條件是700K．

解答 解：已知①CH₃OH（g）+$\frac{3}{2}$O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（1）△H₁=akJ•mol^-1
②H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=H₂O（1）△H₂=bkJ•mol^-1
③H₂O（g）=H₂O（l）△H₃=ckJ•mol^-1
根據(jù)蓋斯定律知，②×3-①-③得：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g））△H=（3b-a-c）kJ•mol^-1，
故答案為：3b-a-c；
（2）根據(jù)圖知，升高溫度，氫氣物質(zhì)的量增大，說明平衡逆向移動，則正反應是放熱反應，a曲線隨著溫度升高，物質(zhì)的量增大，為二氧化碳，b、c隨著溫度升高其物質(zhì)的量降低，為生成物水、乙烯，但水的變化量大于乙烯，所以b曲線代表H₂O，
故答案為：H₂O；
（3）①由圖2可知溫度升高CO的產(chǎn)率上升，其主要原因可能是反應B正反應是吸熱反應，溫度升高平衡正向移動，CO產(chǎn)率升高，
故答案為：反應B正反應是吸熱反應，溫度升高平衡正向移動，CO產(chǎn)率升高；
（3）②據(jù)圖示進行分析250℃甲醇轉(zhuǎn)化率最高，故獲取CH₃OH最適宜的溫度是250℃；
A．使用催化劑，平衡不移動，不能提高轉(zhuǎn)化率，故A錯誤；  
B、增大體系壓強，平衡向正方向移動，提高甲醇轉(zhuǎn)化率，故B正確；
C、增大CO₂和H₂的初始投料比，可增大氫氣的轉(zhuǎn)化率，二氧化碳的轉(zhuǎn)化率減小，故C錯誤； 
D、投料比不變，增加反應物的濃度，平衡正向移動，可增大轉(zhuǎn)化率，故D正確；
故答案為：250℃；BD；
（4）電解時，二氧化碳在b極上得電子發(fā)生還原反應生成C₂H₅OH，電極反應式為2CO₂+12H⁺+12e^-=C₂H₅OH+3H₂O，
故答案為：2CO₂+12H⁺+12e^-=C₂H₅OH+3H₂O；
（5）該反應中Fe元素化合價由+3價變?yōu)?2價，O元素化合價由-2價變?yōu)?價，分解2mol四氧化三鐵轉(zhuǎn)移4mol電子，則分解1mol四氧化三鐵轉(zhuǎn)移2mol電子；根據(jù)圖知，反應物是二氧化碳和FeO，生成物的四氧化三鐵和C，反應條件是700K，反應方程式為6FeO（S）+CO₂$\frac{\underline{\;700K\;}}{\;}$2Fe₃O₄（S）+C，
故答案為：2mol；6FeO（S）+CO₂$\frac{\underline{\;700K\;}}{\;}$2Fe₃O₄（S）+C．

點評 本題考查影響平衡移動的因素、熱化學方程式的書寫、氧化還原反應有關計算，為高頻考點，注意四氧化三鐵中Fe元素化合價，難點是電極反應式的書寫，題目難度不大．