Question

11．二氧化碳的回收利用是環(huán)保領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)課題．
（1）CO₂經(jīng)催化加氫可合成低碳烯烴：
2CO₂（g）+6H₂（g）?C₂H₄（g）+4H₂O（g）△H在0.1MPa時(shí)，按n（CO₂）：n（H₂）=1：3投料，如圖1所示不同溫度（T）下，平衡時(shí)的四種氣態(tài)物質(zhì)的物質(zhì)的量（n）的關(guān)系．
①該反應(yīng)的△H＜0（填“＞”、“=”或“＜”）．
②為提高CO₂的平衡轉(zhuǎn)化率，除改變溫度外，還可采取的措施是增大壓強(qiáng)．
（2）向2L恒容密閉容器中充入2mol CO₂（g）和n mol H₂（g），在一定條件下發(fā)生（1）中反應(yīng)．CO₂的轉(zhuǎn)化率與溫度、投料比 X=$\frac{n（{H}_{2}）}{n（C{O}_{2}）}$的關(guān)系如圖2所示：
①X₁＞X₂（填“＜”、“＞”或“=”，下同），平衡常數(shù)K（A）＞K（B）．
②若B點(diǎn)的投料比為3，則平衡常數(shù)K（B）為170.7（結(jié)果保留小數(shù)后一位）．若反應(yīng)從開始到B點(diǎn)需要10min，則v（H₂）=0.225mol/（L•min）．
（3）在強(qiáng)酸性的電解質(zhì)水溶液中，惰性材料做電極，利用太陽(yáng)能將CO₂轉(zhuǎn)化成低碳烯烴，工作原理如圖3所示．
①該工藝中能量轉(zhuǎn)化方式主要有太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能．
②b為電源的正（填“正”或“負(fù)”）極，電解時(shí)，生成丙烯的電極反應(yīng)式是3CO₂+18H⁺+18e^-=C₃H₆+6H₂O
（4）以CO₂為原料制取碳（C）的太陽(yáng)能工藝如圖4所示．
①過程1中發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式為2Fe₃O₄ $\frac{\underline{\;2300K\;}}{\;}$6FeO+O₂↑．
②過程2中每生成1mol Fe₃O₄轉(zhuǎn)移電子的物質(zhì)的量為2mol．

Answer 1

分析 （1）①由圖可知，升高溫度，氫氣物質(zhì)的量增大，說明平衡逆向移動(dòng)，則正反應(yīng)是放熱反應(yīng)；
②為提高CO₂的平衡轉(zhuǎn)化率，除改變溫度外可以增大壓強(qiáng)平衡正向進(jìn)行；
（2）①相同條件下，投料比[X=$\frac{n（{H}_{2}）}{n（C{O}_{2}）}$]越大，二氧化碳的轉(zhuǎn)化率越大，據(jù)此判斷X₁、X₂的相對(duì)大�。辉摲磻�(yīng)的正反應(yīng)是放熱反應(yīng)，溫度越高其平衡常數(shù)越小；
②若B點(diǎn)的投料比為3，且從反應(yīng)開始到B點(diǎn)需要10min，n（CO₂）=2mol，則n（H₂）=10mol，B點(diǎn)二氧化碳的轉(zhuǎn)化率為75%，則參加反應(yīng)的n（CO₂）=2mol×75%=1.5mol，根據(jù)二氧化碳和氫氣之間的關(guān)系式知，參加反應(yīng)的n（H₂）=3n（CO₂）=4.5mol，則v（H₂）=$\frac{\frac{△n}{V}}{△t}$；
（3）①能量變化為太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能；
②根據(jù)圖知，生成氧氣的電極是陽(yáng)極，則連接陽(yáng)極的電源電極為正極；陰極上二氧化碳得電子和氫離子反應(yīng)生成丙烯和水；
（4）①根據(jù)圖知，F(xiàn)e₃O₄在大于2300K時(shí)分解為FeO與O₂；
②發(fā)生反應(yīng)：6FeO（S）+CO₂$\frac{\underline{\;2300K\;}}{\;}$2Fe₃O₄（S）+C，計(jì)算C的物質(zhì)的量，根據(jù)C元素化合價(jià)變化計(jì)算轉(zhuǎn)移電子．

解答 解：（1）①由圖可知，升高溫度，氫氣物質(zhì)的量增大，說明平衡逆向移動(dòng)，則正反應(yīng)是放熱反應(yīng)，故△H＜0，
故答案為：＜；
②反應(yīng)前后氣體體積減小，為提高CO₂的平衡轉(zhuǎn)化率，除改變溫度外，還可采取的措施是增大壓強(qiáng)，
故答案為：增大壓強(qiáng)；
（2）①相同條件下，投料比[X=$\frac{n（{H}_{2}）}{n（C{O}_{2}）}$]越大，二氧化碳的轉(zhuǎn)化率越大，根據(jù)圖知，相同溫度下X₁的轉(zhuǎn)化率大于X₂，所以X₁＞X₂；該反應(yīng)的正反應(yīng)是放熱反應(yīng)，溫度越高其平衡常數(shù)越小，溫度A＜B，所以平衡常數(shù)A＞B，
故答案為：＞；＞；
②若B點(diǎn)的投料比為3，且從反應(yīng)開始到B點(diǎn)需要10min，n（CO₂）=2mol，則n（H₂）=6mol，B點(diǎn)二氧化碳的轉(zhuǎn)化率為75%，則參加反應(yīng)的n（CO₂）=2mol×75%=1.5mol，
                            2CO₂（g）+6H₂（g）?C₂H₄（g）+4H₂O（g）
起始量（mol/L）    1                3                0                 0
變化量（mol/L）  0.75             2.25            0.375           1.5
平衡量（mol/L）  0.25          0.75              0.375             1.5
K=$\frac{1．{5}^{4}×0.35}{0.2{5}^{2}×0.7{5}^{6}}$=170.7，
根據(jù)二氧化碳和氫氣之間的關(guān)系式知，參加反應(yīng)的n（H₂）=3n（CO₂）=4.5mol，則v（H₂）=$\frac{\frac{△n}{V}}{△t}$=$\frac{\frac{4.5mol}{2L}}{10min}$=0.225mol/（L．min），
故答案為：170.7； 0.225mol/（L•min）；
（3）①在強(qiáng)酸性的電解質(zhì)水溶液中，惰性材料做電極，利用太陽(yáng)能將CO₂轉(zhuǎn)化成低碳烯烴，工作原理圖可知，能量變化為：太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，
故答案為：太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能；
②根據(jù)圖知，生成氧氣的電極是陽(yáng)極，則連接陽(yáng)極的電源電極為正極，所以b為正極，陰極上二氧化碳得電子和氫離子反應(yīng)生成丙烯和水，電極反應(yīng)式為3CO₂+18H⁺+18e^-=CH₃CH=CH₂+6H₂O，
故答案為：正極；3CO₂+18H⁺+18e^-=CH₃CH=CH₂+6H₂O；
（4）①根據(jù)圖知，F(xiàn)e₃O₄在大于2300K時(shí)分解為FeO與O₂，反應(yīng)方程式為2Fe₃O₄ $\frac{\underline{\;2300K\;}}{\;}$6FeO+O₂↑，
故答案為：2Fe₃O₄ $\frac{\underline{\;2300K\;}}{\;}$6FeO+O₂↑；
②發(fā)生反應(yīng)：6FeO（S）+CO₂$\frac{\underline{\;700K\;}}{\;}$2Fe₃O₄（S）+C，生成1mol Fe₃O₄時(shí)可以得到C的物質(zhì)的量為0.5mol，轉(zhuǎn)移電子為0.5mol×4=2mol，
故答案為：2mol．

點(diǎn)評(píng) 本題考查化學(xué)平衡計(jì)算、化學(xué)平衡圖象、原電池和電解池原理、氧化還原反應(yīng)有關(guān)計(jì)算、側(cè)重考查學(xué)生分析計(jì)算能力，難點(diǎn)是電極反應(yīng)式的書寫，注意結(jié)合電解質(zhì)溶液酸堿性書寫，題目難度中等．