Question

14．CO₂ 和CH₄ 是兩種主要的溫室氣體，以CH₄ 和CO₂ 為原料太陽能制造更高價(jià)值的化學(xué)產(chǎn)品是目前緩解溫室效應(yīng)的研究方向．回答下列問題：

（1）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\;}}{\;}$6FeO+O₂↑，則每分解1mol Fe₃O₄轉(zhuǎn)移電子的物質(zhì)的量為
2mol②“重整系統(tǒng)”發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式為6FeO+CO₂$\frac{700℃}{\;}$2Fe₃O₄+C
（2）一定條件下，CO₂和CH₄反應(yīng)可生產(chǎn)合成氣（CO、的混合氣體），其可用于合成多種液體燃料．
已知：
CH₄（g）+2O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（g）△H₁=-802.3kJ•mol^-1
CO（g）+H₂O（g）═CO₂（g）+H₂（g）△H₂=-41.0kJ•mol^-1
2CO（g）+O₂（g）═2CO₂（g）△H₃=-566.0kJ•mol^-1
反應(yīng)CO₂（g）+CH₄（g）?2CO（g）+2H₂（g）的△H=+247.7kJ•mol^-1
（3）CO₂催化加氫可合成低碳烯烴．起始時(shí)在0.1MPa下，以n（H₂）：n（CO₂）=3：1的投料比將反應(yīng)物充入反應(yīng)器中，發(fā)生反應(yīng)：2CO₂（g）+6H₂（g）?C₂H₄（g）+4H₂O（g）△H，保持壓強(qiáng)不變，不同溫度下平衡時(shí)的四種氣態(tài)物質(zhì)的物質(zhì)的量如圖2所示．
①曲線Ⅱ表示的物質(zhì)為H₂O（填化學(xué)式），該反應(yīng)的△H＜（填“＞”或“＜”）0．
②A、B兩點(diǎn)對(duì)應(yīng)的反應(yīng)速率v（A）、v（B）的大小關(guān)系為v（A）＜v（B）．B、C兩點(diǎn)對(duì)應(yīng)溫度下反應(yīng)的平衡常數(shù)大小關(guān)系為K（B）＜（填“＞”“＜”或“=”）K（C）．
③為提高CO₂ 的平衡轉(zhuǎn)化率，除改變溫度外，還可采取的措施是舉1種）．

Answer 1

分析 （1）①分析方程式：2Fe₃O₄$\frac{\underline{\;2300K\;}}{\;}$6FeO+O₂↑中元素化合價(jià)的變化，結(jié)合方程式進(jìn)行計(jì)算；
②由示意圖可知，重整系統(tǒng)中CO₂和FeO反應(yīng)生成Fe₃O₄和C；
（2）依據(jù)熱化學(xué)方程式和蓋斯定律，①+②×2-③×2得目標(biāo)方程式，據(jù)此計(jì)算反應(yīng)焓變；
（3）①根據(jù)題給圖象知，平衡時(shí)氫氣的物質(zhì)的量隨溫度的升高而增大，則曲線a代表反應(yīng)物CO₂，曲線b、c表示生成物，又曲線b表示的物質(zhì)平衡時(shí)物質(zhì)的量大，結(jié)合方程式分析，曲線b表示的物質(zhì)為H₂O；
依據(jù)所給圖象可知，平衡時(shí)氫氣的物質(zhì)的量隨溫度的升高而增大，平衡逆向移動(dòng)，據(jù)此判斷反應(yīng)焓變；
②依據(jù)溫度對(duì)反應(yīng)速率、化學(xué)平衡常數(shù)影響解答；
③該反應(yīng)為氣體物質(zhì)的量減小的放熱反應(yīng)，為提高CO₂的平衡轉(zhuǎn)化率，除改變溫度外，還可采取的措施是增大壓強(qiáng)或增大$\frac{n（{H}_{2}）}{n（C{O}_{2）}}$的比值．

解答 解：（1）①2Fe₃O₄$\frac{\underline{\;2300K\;}}{\;}$6FeO+O₂↑中O元素化合價(jià)由-2價(jià)升高到0價(jià)，生成1mol氧氣，轉(zhuǎn)移4mol電子，消耗2molFe₃O₄，所以分解1mol Fe₃O₄轉(zhuǎn)移電子的物質(zhì)的量為2mol；
故答案為：2mol；
②由示意圖可知，重整系統(tǒng)中CO₂和FeO反應(yīng)生成Fe₃O₄和C，發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式：6FeO+CO₂$\frac{700℃}{\;}$2Fe₃O₄+C；
故答案為：6FeO+CO₂$\frac{700℃}{\;}$2Fe₃O₄+C；
（2））①CH₄（g）+2O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（g）△H₂=-802.3kJ•mol^-1
②CO（g）+H₂O（g）=CO₂（g）+H₂（g）△H₂=-41.0kJ•mol^-1
③2CO（g）+O₂（g）=2CO₂（g）△H₂=-566.0kJ•mol^-1；
依據(jù)蓋斯定律：①+②×2-③×2得：CO₂（g）+CH₄（g）?2CO（g）+2H₂（g）
則反應(yīng)焓變：△H=[-802.3-2×41.0-（-566）×2]kJ•mol^-1=+247.7KJ/mol，
故答案為：+247.7；
（3）①隨著溫度升高，氫氣的物質(zhì)的量逐漸增多，因氫氣為反應(yīng)物，則另一條逐漸增多的曲線為CO₂，由計(jì)量數(shù)關(guān)系可知b為水，c為C₂H₄的變化曲線；
由曲線變化可知隨著溫度升高，氫氣的物質(zhì)的量逐漸增多，說明升高溫度平衡逆向移動(dòng)，則正反應(yīng)放熱，故故答案為：H₂O；＜；
②升高溫度反應(yīng)速率加快，從圖中可知：B點(diǎn)溫度高于A點(diǎn)，所以v（A）＜v（B）；
由①可知該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，升高溫度則平衡常數(shù)變小，從圖中可知B點(diǎn)溫度高于C點(diǎn)，所以C點(diǎn)平衡常數(shù)大；
故答案為：v（A）＜v（B）；＜；
③該反應(yīng)為氣體物質(zhì)的量減小的放熱反應(yīng)，為提高CO₂的平衡轉(zhuǎn)化率，除改變溫度外，還可采取的措施是增大壓強(qiáng)或增大$\frac{n（{H}_{2}）}{n（C{O}_{2）}}$的比值；
故答案為：增大壓強(qiáng)或增大$\frac{n（{H}_{2}）}{n（C{O}_{2）}}$的比值；

點(diǎn)評(píng) 本題為綜合題，考查熱化學(xué)方程式書寫方法和蓋斯定律的計(jì)算應(yīng)用，化學(xué)平衡、平衡常數(shù)、反應(yīng)速率的影響因素分析，明確化學(xué)平衡相關(guān)規(guī)律、清楚圖象含義是解題關(guān)鍵，題目難度中等．