Question

17．研究CO₂的利用對促進低碳社會的構建具有重要意義．
（1）將CO₂與焦炭作用生成CO，CO可用于煉鐵等．
已知：①Fe₂O₃（s）+3C（石墨）═2Fe（s）+3CO（g）△H₁=+489.0kJ•mol^-1
②C（石墨）+CO₂（g）═2CO（g）△H₂=+172.5kJ•mol^-1
則CO還原Fe₂O₃（s）的熱化學方程式為Fe₂O₃（s）+3CO（g）=2Fe（s）+3CO₂（g）△H=-28.5 kJ•mol^-1．
（2）二氧化碳合成甲醇是碳減排的新方向，將CO₂轉化為甲醇的熱化學方程式為
CO₂（g）+3H₂（g）═CH₃OH（g）+H₂O（g）△H
①該反應的平衡常數(shù)表達式為K=$\frac{c（CH{\;}_{3}OH）•c（H{\;}_{2}O）}{c（CO{\;}_{2}）•c{\;}^{3}（H{\;}_{2}）}$．
②取一定體積CO₂和H₂的混合氣體（物質(zhì)的量之比為1：3），加入恒容密閉容器中發(fā)生上述反應，反應過程中測得甲醇的體積分數(shù)α（CH₃OH）與反應溫度T的關系如圖1所示，則該反應的△H＜0（填“＞”、“＜”或“=”，下同）．

③在兩種不同條件下發(fā)生反應，測得CH₃OH的物質(zhì)的量隨時間變化如圖2所示，曲線Ⅰ、Ⅱ對應的平衡常數(shù)大小關系為K_Ⅰ＞K_Ⅱ．
（3）以CO₂為原料還可以合成多種物質(zhì)．
①工業(yè)上尿素[CO（NH₂）₂]可由CO₂和NH₃在一定條件下合成，其反應方程式為2NH₃+CO₂$\stackrel{一定條件}{?}$CO（NH₂）₂+H₂O．當氨碳比$\frac{n（N{H}_{3}）}{n（C{O}_{2}）}$=3，達平衡時CO₂的轉化率為60%，則NH₃的平衡轉化率為40%．
②用硫酸溶液作電解質(zhì)進行電解，CO₂在電極上可轉化為甲烷，該電極的反應式為CO₂+8e^-+8H⁺=CH₄+2H₂O．

Answer 1

分析 （1）依據(jù)熱化學方程式和蓋斯定律計算得到所需熱化學方程式；
（2）①依據(jù)化學方程式和平衡常數(shù)概念寫出平衡常數(shù)表達式；
②由圖可知最高點反應到達平衡，到達平衡后，溫度越高，α（CH₃OH）越小，升高溫度平衡向逆反應進行，據(jù)此判斷；
③由圖象分析先拐先平，溫度高T_Ⅱ先達到平衡則T_Ⅱ＞T_Ⅰ，縱軸是甲醇的物質(zhì)的量，溫度越高，甲醇越少，平衡逆向進行分析判斷；
（3）①根據(jù)反應物、反應條件、生成物寫出化學反應式；利用三段式法計算；
②根據(jù)原電池原理，CO₂在正極發(fā)生還原反應轉化為甲烷，注意電解質(zhì)溶液為酸性．

解答 解：（1）①Fe₂O₃（s）+3C（石墨）=2Fe（s）+3CO（g）△H₁=+489.0kJ•mol^-1
②C（石墨）+CO₂（g）=2CO（g）△H₂=+172.5kJ•mol^-1
依據(jù)蓋斯定律①-②×3得到Fe₂O₃（s）+3CO（g）=2Fe（s）+3CO₂（g）△H=-28.5 kJ•mol^-1；
故答案為：Fe₂O₃（s）+3CO（g）=2Fe（s）+3CO₂（g）△H=-28.5 kJ•mol^-1；
（2）①平衡常數(shù)等于生成物的濃度冪之積除以反應物的濃度冪之積，所以K=$\frac{c（CH{\;}_{3}OH）•c（H{\;}_{2}O）}{c（CO{\;}_{2}）•c{\;}^{3}（H{\;}_{2}）}$，
故答案為：$\frac{c（CH{\;}_{3}OH）•c（H{\;}_{2}O）}{c（CO{\;}_{2}）•c{\;}^{3}（H{\;}_{2}）}$；
②由圖可知最高點反應到達平衡，達平衡后，溫度越高，α（CH₃OH）越小，平衡向逆反應進行，升高溫度平衡吸熱方向進行，逆反應為吸熱反應，則正反應為放熱反應，即△H＜0，
故答案為：＜；
③由圖2可知，溫度T_Ⅰ＜T_Ⅱ，平衡時，溫度越高CO的轉化率越小，說明升高溫度，平衡向逆反應移動，升高溫度平衡向吸熱反應移動，故該反應正反應為放熱反應，則△H＜0，升高溫度，平衡向逆反應移動，所以K_Ⅰ＞K_Ⅱ，
故答案為：＞；
（3）①根據(jù)反應物是二氧化碳和氨氣（NH₃），反應條件是高溫、高壓，生成物是尿素[CO（NH₂）₂]和水，化學反應式為2NH₃+CO₂$\stackrel{一定條件}{?}$CO（NH₂）₂+H₂O，
設CO₂的初始物質(zhì)的量為a，則NH₃的初始物質(zhì)的量為3a，
         2NH₃+CO₂$\stackrel{一定條件}{?}$CO（NH₂）₂+H₂O
起始/mol 3a    a
轉化/mol 1.2a  0.6a
平衡/mol 1.8a  0.4a
平衡時NH₃轉化率為：$\frac{1.2a}{3a}$×100%=40%，
故答案為：2NH₃+CO₂$\stackrel{一定條件}{?}$CO（NH₂）₂+H₂O；40%；
②CO₂在正極發(fā)生還原反應轉化為甲烷，考慮電解質(zhì)為硫酸，所以甲烷中氫來源為硫酸電離的氫離子，根據(jù)化合價變化可知1mol二氧化碳變成甲烷得到8mol電子，故電極反應為：CO₂+8e^-+8H⁺=CH₄+2H₂O，
故答案為：CO₂+8e^-+8H⁺=CH₄+2H₂O．

點評 本題考查了熱化學方程式的書寫、化學平衡移動、平衡常數(shù)概念理解、轉化率的計算及原電池原理的分析應用等，題目涉及的知識點較多，綜合性較強，難度中等．分析圖象時，要考慮先拐先平衡的原則，則反應條件為溫度高或壓強大，寫電極反應式一定要考慮介質(zhì)的參與．