Question

CO₂和CH₄是兩種重要的溫室氣體，通過CH₄和CO₂反應(yīng)制造更高價值化學品是目前的研究目標。

（1）250℃時，以鎳合金為催化劑，向4 L容器中通入6 mol CO₂、6 mol CH₄，發(fā)生如下反應(yīng)：CO₂ (g)＋CH₄(g) 2CO(g)＋2H₂(g)。平衡體系中各組分體積分數(shù)如下表：

物質(zhì)	CH4	CO2	CO	H2
體積分數(shù)	0.1	0.1	0.4	0.4

①此溫度下該反應(yīng)的平衡常數(shù)K=__________

②已知：CH₄(g)＋2O₂(g)＝CO₂(g)＋2H₂O(g) △H=890.3 kJ·mol^－1

CO(g)＋H₂O (g)＝CO₂(g)＋H₂ (g) △H=+2.8 kJ·mol^－1

2CO(g)＋O₂(g)＝2CO₂(g) △H=566.0 kJ·mol^－1

反應(yīng)CO₂(g)＋CH₄(g)2CO(g)＋2H₂(g) 的△H=________________

（2）以二氧化鈦表面覆蓋Cu₂Al₂O₄為催化劑，可以將CO₂和CH₄直接轉(zhuǎn)化成乙酸。

①在不同溫度下催化劑的催化效率與乙酸的生成速率如右圖所示。250～300℃時，溫度升高而乙酸的生成速率降低的原因是_____________________

②為了提高該反應(yīng)中CH₄的轉(zhuǎn)化率，可以采取的措施是________________________

③將Cu₂Al₂O₄溶解在稀硝酸中的離子方程式為___________________________

（3）Li₂O、Na₂O、MgO均能吸收CO₂。①如果尋找吸收CO₂的其他物質(zhì)，下列建議合理的是______

a.可在堿性氧化物中尋找

b.可在ⅠA、ⅡA族元素形成的氧化物中尋找

c.可在具有強氧化性的物質(zhì)中尋找

②Li₂O吸收CO₂后，產(chǎn)物用于合成Li₄SiO₄，Li₄SiO₄用于吸收、釋放CO₂。原理是：在500℃，CO₂與Li₄SiO₄接觸后生成Li₂CO₃；平衡后加熱至700℃，反應(yīng)逆向進行，放出CO₂，Li₄SiO₄再生，說明該原理的化學方程式是___________________________

（4）利用反應(yīng)A可將釋放的CO₂轉(zhuǎn)化為具有工業(yè)利用價值的產(chǎn)品。

反應(yīng)A：

高溫電解技術(shù)能高效實現(xiàn)（3）中反應(yīng)A，工作原理示意圖如下：

CO₂在電極a放電的反應(yīng)式是_____________________________________________

Answer 1

【知識點】反應(yīng)熱的計算、化學平衡常數(shù)的含義、化學平衡的影響因素、電解原理

【答案解析】⑴①64     ②+247.3 kJ·mol^－1  

⑵①溫度超過250℃時，催化劑的催化效率降低

②增大反應(yīng)壓強或增大CO₂的濃度

③3Cu₂Al₂O₄+32H⁺+2NO₃^－=6Cu²⁺+ 6Al³⁺+2NO↑+16 H₂O

（3）①ab  （1分）    ②CO₂ + Li₄SiO₄  Li₂CO₃ + Li₂SiO₃

（4）CO₂ + 2e^- == CO+O^2-

解析：（1）①      CO₂（g）+CH₄（g）⇌2CO（g）+2H₂（g）
起始（mol）            6            6             0           0
反應(yīng)（mol）            X            X            2X         2X
平衡（mol）            6-X        6-X            2X         2X
由CH₄的體積分數(shù)為0.1，則(6-x)/(12+2x)=0.1，解得X=4，所以K=(2²×2²)/(0.5×0.5)=64

②CH₄（g）+2O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-890.3kJ•mol^-1    ①
  CO（g）+H₂O （g）=CO₂（g）+H₂ （g）△H=2.8kJ•mol^-1        ②
  2CO（g）+O₂（g）=2CO₂（g）△H=-566.0kJ•mol^-1             ③
根據(jù)蓋斯定律，由①+②×2-③×2得

CO₂（g）+CH₄（g）⇌2CO（g）+2H₂（g）△H=(-890.3+2.8×2+566.0×2) kJ•mol^-1=+247.3 kJ•mol^-1；

（2）①溫度超過250℃時，催化劑的催化效率降低，所以溫度升高而乙酸的生成速率降低；

②增大反應(yīng)壓強、增大CO₂的濃度，平衡正向移動，反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率增大；
③Cu₂Al₂O₄拆成氧化物的形式：Cu₂O•Al₂O₃，與酸反應(yīng)生成離子方程式：

3Cu₂Al₂O₄+32H⁺+2NO₃^-=6Cu²⁺+6Al³⁺+2NO↑+16H₂O；

（3）①a．Li₂O、Na₂O、MgO均屬于堿性氧化物，均能吸收酸性氧化物CO₂，可在堿性氧化物中尋找吸收CO₂的其他物質(zhì)，故a正確；
b．Li₂O、Na₂O、MgO均能吸收CO₂，鈉、鎂、鋁為ⅠA、ⅡA族元素，所以可在ⅠA、ⅡA族元素形成的氧化物中尋找吸收CO₂的其他物質(zhì)，故b正確；
c．Li₂O、Na₂O、MgO均能吸收CO₂，但它們都沒有強氧化性，且吸收二氧化碳與氧化還原無關(guān)，故c錯誤；   故答案為：ab；

②在500℃，CO₂與Li₄SiO₄接觸后生成Li₂CO₃，反應(yīng)物為CO₂與Li₄SiO₄，生成物有Li₂CO₃，根據(jù)質(zhì)量守恒可知產(chǎn)物還有Li₂SiO₃，所以化學方程式為CO₂ + Li₄SiO₄  Li₂CO₃ + Li₂SiO₃；

（4）二氧化碳在a極得到電子發(fā)生還原反應(yīng)生成一氧化碳同時生成氧離子，反應(yīng)電極反應(yīng)式為：CO₂+2e^-═CO+O^2-；

【思路點撥】本題主要考查了綜合利用CO₂，涉及熱化學反應(yīng)、電化學、化學平衡影響因素等，較為綜合，題目難度中等