Question

15．將CH₄、CO₂催化重整為可用的化學(xué)品，對(duì)緩解能源危機(jī)、改善環(huán)境意義重大．

（1）以Fe（OH）₃為脫硫劑，通過復(fù)分解反應(yīng)吸收H₂S，產(chǎn)物是H₂O和Fe₂S₃．
（2）過程A主要涉及以下反應(yīng)：
�。瓹H₄（g）+CO₂（g）?2CO（g）+2H₂（g）△H=+247kJ/mol
ⅱ．CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H=-41kJ/mol
①反應(yīng)ⅰ的化學(xué)平衡常數(shù)K隨溫度的變化關(guān)系是K隨溫度升高而增大．
②分析反應(yīng)ⅱ對(duì)反應(yīng)ⅰ中CO₂轉(zhuǎn)化率可能的影響并說明理由：消耗CO、反應(yīng)放熱，都能使反應(yīng)ⅰ的平衡正向移動(dòng)，提高CO₂的轉(zhuǎn)化率；生成CO₂使反應(yīng)ⅰ的平衡正向移動(dòng)，但降低CO₂的轉(zhuǎn)化率；生成H₂使反應(yīng)ⅰ的平衡逆向移動(dòng)，降低CO₂的轉(zhuǎn)化率（寫出一種即可）．
（3）某科研團(tuán)隊(duì)利用Ni、CaO、Fe₃O₄三種催化劑在850℃下“超干重整”CH₄和CO₂：過程Ⅰ．通入CO₂和
CH₄，所得CO 被吸收，H₂O被分離出體系，如圖2所示．過程Ⅱ．H₂O被分離后，向該裝置中再通入He氣，使催化劑再生并獲得CO，如圖3所示．
①CH₄和CO₂ 重整為CO、H₂O的熱化學(xué)方程式是3CO₂（g）+CH₄（g）?4CO（g）+2H₂O（g）△H₂=+329kJ•mol^-1．   
②結(jié)合反應(yīng)方程式簡(jiǎn)述Fe₃O₄的催化作用過程Ⅰ4CO+Fe₃O₄?3Fe+4CO₂，4H₂+Fe₃O₄?3Fe+4H₂O，F(xiàn)e₃O₄被還原，過程Ⅱ3Fe+4CO₂?4CO+Fe₃O₄，F(xiàn)e₃O₄重新生成．
③CaO對(duì)Fe₃O₄是否起到催化作用至關(guān)重要，實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果如表：

編號(hào)	催化劑	是否添加CaO	還原產(chǎn)物
1	Fe3O4	添加	有Fe
2	Fe3O4	不添加	無Fe

運(yùn)用有關(guān)化學(xué)原理解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果：過程Ⅰ中存在平衡4CO+Fe₃O₄?3Fe+4CO₂，添加的CaO與CO₂結(jié)合成CaCO₃，降低了c（CO₂），使平衡正向移動(dòng)，所以有Fe生成，使Fe₃O₄催化作用更好．

Answer 1

分析 （1）復(fù)分解反應(yīng)的實(shí)質(zhì)是電解質(zhì)在溶液中發(fā)生的離子間的互換反應(yīng)；
（2）①升高溫度，反應(yīng)ⅰ的化學(xué)平衡正向移動(dòng)，化學(xué)平衡常數(shù)K增大；
②從濃度、溫度的改變分析化學(xué)平衡移動(dòng)的方向，進(jìn)而確定反應(yīng)ⅰ中CO₂轉(zhuǎn)化率；
（3）①�。瓹H₄（g）+CO₂（g）?2CO（g）+2H₂（g）△H=+247kJ/mol
ⅱ．CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H=-41kJ/mol，
根據(jù)蓋斯定律，ⅰ-2×ⅱ可得3CO₂（g）+CH₄（g）?4CO（g）+2 H₂O（g）△H；
②寫出過程Ⅰ、Ⅱ涉及的化學(xué)方程式，通過方程式分析Fe₃O₄的作用；
③添加的CaO與CO₂結(jié)合成CaCO₃，降低了c（CO₂），使過程Ⅰ中反應(yīng) 4CO+Fe₃O₄?3Fe+4CO₂平衡正向移動(dòng)．

解答 解：（1）復(fù)分解反應(yīng)的實(shí)質(zhì)是電解質(zhì)在溶液中發(fā)生的離子間的互換反應(yīng)，各元素的化合價(jià)不變，因此Fe（OH）₃與H₂S發(fā)生復(fù)分解反應(yīng)的產(chǎn)物應(yīng)為H₂O和Fe₂S₃，
故答案為：Fe₂S₃；
（2）①反應(yīng)ⅰ為吸熱反應(yīng)，升高溫度，平衡正向移動(dòng)，化學(xué)平衡常數(shù)K增大，
故答案為：K隨溫度升高而增大；
②反應(yīng)ⅱ消耗CO，降低了反應(yīng)ⅰ中CO的濃度，使反應(yīng)ⅰ的平衡正向移動(dòng)，提高CO₂的轉(zhuǎn)化率；
反應(yīng)ⅱ放熱，升高溫度，反應(yīng)ⅰ的化學(xué)平衡正向移動(dòng)，提高CO₂的轉(zhuǎn)化率；
反應(yīng)ⅱ生成CO₂，增大了反應(yīng)ⅰ中CO₂的濃度，使反應(yīng)ⅰ的平衡正向移動(dòng)，但降低CO₂的轉(zhuǎn)化率；
反應(yīng)ⅱ生成H₂，增大了反應(yīng)ⅰ中H₂的濃度，使反應(yīng)ⅰ的平衡逆向移動(dòng)，降低CO₂的轉(zhuǎn)化率，
故答案為：消耗CO、反應(yīng)放熱，都能使反應(yīng)ⅰ的平衡正向移動(dòng)，提高CO₂的轉(zhuǎn)化率；生成CO₂使反應(yīng)ⅰ的平衡正向移動(dòng)，但降低CO₂的轉(zhuǎn)化率；生成H₂使反應(yīng)ⅰ的平衡逆向移動(dòng)，降低CO₂的轉(zhuǎn)化率；
（3）①�。瓹H₄（g）+CO₂（g）?2CO（g）+2H₂（g）△H=+247kJ/mol，
ⅱ．CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H=-41kJ/mol，
根據(jù)蓋斯定律，ⅰ-2×ⅱ可得3CO₂（g）+CH₄（g）?4CO（g）+2 H₂O（g）△H=+247kJ/mol+2×41kJ/mol=+329 kJ•mol^-1，
故答案為：3CO₂（g）+CH₄（g）?4CO（g）+2 H₂O（g）△H₂=+329 kJ•mol^-1；
②過程Ⅰ涉及的化學(xué)反應(yīng)為4CO+Fe₃O₄?3Fe+4CO₂，4H₂+Fe₃O₄?3Fe+4H₂O，F(xiàn)e₃O₄都是作氧化劑被還原，
過程Ⅱ中涉及的化學(xué)反應(yīng)為3Fe+4CO₂?4CO+Fe₃O₄，F(xiàn)e₃O₄重新生成，
故答案為：過程Ⅰ4CO+Fe₃O₄?3Fe+4CO₂，4H₂+Fe₃O₄?3Fe+4H₂O，F(xiàn)e₃O₄被還原，過程Ⅱ3Fe+4CO₂?4CO+Fe₃O₄，F(xiàn)e₃O₄重新生成；
③CaO對(duì)Fe₃O₄是否起到催化作用至關(guān)重要，添加CaO時(shí)，還原產(chǎn)物有鐵，不添加CaO，還原產(chǎn)物無鐵，添加的CaO與CO₂結(jié)合成CaCO₃，降低了c（CO₂），使過程Ⅰ中反應(yīng) 4CO+Fe₃O₄?3Fe+4CO₂平衡正向移動(dòng)，所以有Fe生成，使Fe₃O₄催化作用更好，
故答案為：過程Ⅰ中存在平衡 4CO+Fe₃O₄?3Fe+4CO₂，添加的CaO與CO₂結(jié)合成CaCO₃，降低了c（CO₂），使平衡正向移動(dòng)，所以有Fe生成，使Fe₃O₄催化作用更好．

點(diǎn)評(píng) 本題考查反應(yīng)熱的計(jì)算和化學(xué)平衡的影響因素，綜合性較強(qiáng)，題目設(shè)置由易到難，掌握蓋斯定律、勒夏特列原理是解題的關(guān)鍵，題目難度中等．