Question

19．CO₂和CH₄是兩種重要的溫室氣體，通過(guò)CH₄和CO₂反應(yīng)制造更高價(jià)值化學(xué)品是目前的研究目標(biāo)．

（1）250℃時(shí)，以鎳合金為催化劑，向4L容器中通入6mol CO₂、6mol 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?jǐn)?shù)如下表：

物質(zhì)	CH4	CO2	CO	H2
體積分?jǐn)?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=64
②已知：CH₄（g）+2O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-890.3kJ•mol^-1
CO（g）+H₂O （g）=CO₂（g）+H₂ （g）△H=+2.8kJ•mol^-1
2CO（g）+O₂（g）=2CO₂（g）△H=-566.0kJ•mol^-1
反應(yīng)CO₂（g）+CH₄（g）?2CO（g）+2H₂（g） 的△H=+247.3kJ•mol^-1
（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圖1所示．250～300℃時(shí)，溫度升高而乙酸的生成速率降低的原因是溫度超過(guò)250℃時(shí)，催化劑的催化效率降低
②為了提高該反應(yīng)中CH₄的轉(zhuǎn)化率，可以采取的措施是增大反應(yīng)壓強(qiáng)、增大CO₂的濃度
③將Cu₂Al₂O₄溶解在稀硝酸中的離子方程式為3Cu₂Al₂O₄+32H⁺+2NO₃^-=6Cu²⁺+6Al³⁺+2NO↑+16H₂O
（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ab
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(qiáng)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(jìn)行，放出CO₂，Li₄SiO₄再生，說(shuō)明該原理的化學(xué)方程式是CO₂+Li₄SiO₄?Li₂CO₃+Li₂SiO₃
（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(jià)值的產(chǎn)品．反應(yīng)A：CO₂+H₂O$\frac{\underline{\;電解\;}}{高溫}$CO+H₂+O₂
高溫電解技術(shù)能高效實(shí)現(xiàn)（3）中反應(yīng)A，工作原理示意圖如圖2：CO₂在電極a放電的反應(yīng)式是CO₂+2e^-═CO+O^2-．

Answer 1

分析 （1）①先利用三段法求出各物質(zhì)的物質(zhì)的量，然后再根據(jù)平衡常數(shù)等于生成物的濃度冪之積除以反應(yīng)物的濃度冪之積；
②根據(jù)蓋斯定律來(lái)解答；
（2）①根據(jù)溫度對(duì)催化劑活性的影響；
②根據(jù)外界條件對(duì)化學(xué)平衡的影響，平衡正向移動(dòng)，反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率增大；
③先將Cu₂Al₂O₄拆成氧化物的形式：Cu₂O•Al₂O₃，再根據(jù)氧化物與酸反應(yīng)生成離子方程式，需要注意的是一價(jià)銅具有還原性；
（3）①二氧化碳為酸性氣體，Li₂O、Na₂O、MgO均能吸收CO₂與氧化性無(wú)關(guān)；
②根據(jù)題干信息，反應(yīng)物為CO₂與Li₄SiO₄，生成物有Li₂CO₃，根據(jù)質(zhì)量守恒進(jìn)行解答；
（4）二氧化碳、水分別在a極得到電子發(fā)生還原反應(yīng)生成一氧化碳、氫氣，同時(shí)生成氧離子．

解答 解：（1）①CO₂（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?jǐn)?shù)為0.1，則$\frac{6-X}{12+2X}$=0.1，解得X=4，所以①K=$\frac{{c}^{2}（CO）×{c}^{2}（{H}_{2}）}{c（C{O}_{2}）×c（C{H}_{4}）}$=$\frac{{2}^{2}{×2}^{2}}{0.5×0.5}$=64，
故答案為：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=-890.3kJ•mol^-1+2.8kJ•mol^-1×2+566.0kJ•mol^-1×2=+247.3 kJ•mol^-1，
故答案為：+247.3 kJ•mol^-1；
（2）①溫度超過(guò)250℃時(shí)，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，故答案：溫度超過(guò)250℃時(shí)，催化劑的催化效率降低；
②增大反應(yīng)壓強(qiáng)、增大CO₂的濃度，平衡正向移動(dòng)，反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率增大，故答案為：增大反應(yīng)壓強(qiáng)、增大CO₂的濃度；
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，
故答案為：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(méi)有強(qiáng)氧化性，且吸收二氧化碳與氧化還原無(wú)關(guān)，故c錯(cuò)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(xué)方程式為：CO₂+Li₄SiO₄?Li₂CO₃+Li₂SiO₃，故答案為：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(shí)生成氧離子，反應(yīng)電極反應(yīng)式為：CO₂+2e^-═CO+O^2-，故答案為：CO₂+2e^-═CO+O^2-．

點(diǎn)評(píng) 本題主要考查了綜合利用CO₂，涉及熱化學(xué)反應(yīng)、電化學(xué)、化學(xué)平衡影響因素等，較為綜合，題目難度中等．