Question

12．二氧化碳的捕集、利用與封存（CCUS）是我國能源領(lǐng)域的一個重要戰(zhàn)略方向，CCUS或許發(fā)展成一項重要的新興產(chǎn)業(yè)．
（1）國外學(xué)者提出的由CO₂制取C的太陽能工藝如圖1所示
①“熱分解系統(tǒng)”發(fā)生的反應(yīng)為2Fe₃O₄$\frac{\underline{\;2300K\;}}{\;}$6FeO+O₂↑，每分解lmolFe₃O₄轉(zhuǎn)移電子的個數(shù)為2N_A或1.204×10²⁴．
②“重整系統(tǒng)”發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式為6FeO（S）+CO₂2Fe₃O₄（S）+C．

（2）二氧化碳催化加氫合成低碳烯烴是目前研究的熱門課題，起始時以0.1MPa，n（H₂）：n（CO₂）=3：1的投料比充入反應(yīng)器中，發(fā)生反應(yīng)：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2所示：
①曲線b表示的物質(zhì)為H₂O （寫化學(xué)式）．
②若平衡時壓強為0.08MPa，則CO₂的轉(zhuǎn)化率為53.3%，用電子式表示CO₂分子的形成過程．
（3）據(jù)報道以二氧化碳為原料采用特殊的電極電解強酸性的二氧化碳水溶液可得到多種燃料，其原理如圖3所示．
①此過程涉及的所有能量轉(zhuǎn)換為：太陽能轉(zhuǎn)化為電能、電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能．
②電解時其中b極上生成乙烯的電極反應(yīng)式為2CO₂+12H⁺+12e^-=C₂H₄+4H₂O．

Answer 1

分析 （1）①該反應(yīng)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(guān)系式計算；
②根據(jù)圖知，反應(yīng)物是二氧化碳和FeO，生成物的四氧化三鐵和C，反應(yīng)條件是700K；（2）①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(yīng)是放熱反應(yīng)；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)；
②壓強之比等于其物質(zhì)的量之比，設(shè)反應(yīng)前氫氣、二氧化碳物質(zhì)的量分別是3xmol、xmol，反應(yīng)后混合氣體物質(zhì)的量=$\frac{（3x+x）mol}{0.1MPa}×0.08MPa$=3.2xmol，反應(yīng)平衡是氣體物質(zhì)的量減少量=（3x+x-3.2x）mol=0.8xmol，設(shè)二氧化碳參加反應(yīng)的物質(zhì)的量為ymol，
2CO₂（g）+6H₂（g）?C₂H₄（g）+4H₂O（g）減少
2mol                                 3mol
ymol                                  0.8xmol
則：2mol：3mol=ymol：0.8xmol，解得y=$\frac{1.6x}{3}$，進(jìn)而計算二氧化碳轉(zhuǎn)化率；
C、O原子之間通過共用電子對形成二氧化碳共價化合物；
（3）①太陽能電池中光能轉(zhuǎn)化為電能，電解強酸性的二氧化碳水溶液得到乙烯，電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能；
②電解時，二氧化碳在b極上得電子發(fā)生還原反應(yīng)生成乙烯．

解答 解：（1）①該反應(yīng)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，轉(zhuǎn)移電子個數(shù)為2N_A或1.204×10²⁴，故答案為：2N_A或1.204×10²⁴；
②根據(jù)圖知，反應(yīng)物是二氧化碳和FeO，生成物的四氧化三鐵和C，反應(yīng)條件是700K，反應(yīng)方程式為6FeO（S）+CO₂2Fe₃O₄（S）+C，
故答案為：6FeO（S）+CO₂2Fe₃O₄（S）+C；
（2）①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(yīng)是放熱反應(yīng)；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；
②壓強之比等于其物質(zhì)的量之比，設(shè)反應(yīng)前氫氣、二氧化碳物質(zhì)的量分別是3xmol、xmol，反應(yīng)后混合氣體物質(zhì)的量=$\frac{（3x+x）mol}{0.1MPa}×0.08MPa$=3.2xmol，反應(yīng)平衡是氣體物質(zhì)的量減少量=（3x+x-3.2x）mol=0.8xmol，
設(shè)二氧化碳參加反應(yīng)的物質(zhì)的量為ymol，
2CO₂（g）+6H₂（g）?C₂H₄（g）+4H₂O（g）減少
2mol                                3mol
ymol                               0.8xmol
則2mol：3mol=ymol：0.8xmol，解得y=$\frac{1.6x}{3}$，故二氧化碳轉(zhuǎn)化率=$\frac{\frac{1.6x}{3}mol}{xmol}×100%$=53.3%；
C、O原子之間通過共用電子對形成二氧化碳共價化合物，其形成過程為，
故答案為：53.3%；；
（3）①太陽能電池中光能轉(zhuǎn)化為電能，電解強酸性的二氧化碳水溶液得到乙烯，電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，
故答案為：太陽能轉(zhuǎn)化為電能、電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能；
②電解時，二氧化碳在b極上得電子發(fā)生還原反應(yīng)生成乙烯，電極反應(yīng)式為2CO₂+12H⁺+12e^-=C₂H₄+4H₂O，
故答案為：2CO₂+12H⁺+12e^-=C₂H₄+4H₂O．

點評 本題考查原電池和電解池原理、化學(xué)平衡計算、氧化還原反應(yīng)有關(guān)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(yīng)式的書寫，題目難度不大．