Question

11．CO₂和CH₄是兩種重要的溫窒氣體，通過CH₄和CO₂反應制造更高價值的化學品是目前的研究方向．
（1）已知：CH₄（g）+2O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（g）△H₁═a kJ•mol^-1
CO（g）+H₂O （g）═CO₂（g）+H₂ （g）△H₂═b kJ•mol^-1
2CO（g）+O₂（g）═2CO₂（g）△H₃═c kJ•mol^-1
反應CO₂（g）+CH₄（g）═2CO（g）+2H₂（g） 的△H═+（a+2b?2c）KJ/mol；
（2）在一密閉容器中通入物質的量濃度均為0.1mol/L的CH₄與CO₂，在一定條件下發生上述反應，測得CH₄的平衡轉化率與溫度及壓強的關系如圖．

①判斷該反應的△H＞0（填“＞”“＜”或“=”）
②壓強P₁、P₂、P₃、P₄ 由大到小的順序為P₄＞P₃＞P₂＞P₁
③1100℃該反應的平衡常數為1.64（保留小數點后一位）
④在不改變反應物用量的前提下，采取合理措施將Y點平衡體系轉化為X點，在轉化過程中，下列變化正確的是d（填序號）
a．v（正）一直增大   b．v（逆）一直增大
c．v（正）先減小后增大  d．v（逆）先減小后增大
（3）以Cu₂Al₂O₄為催化劑，可以將CO₂和CH₄直接轉化為乙酸．
①該反應的化學方程式為CO₂+CH₄$\frac{\underline{\;Cu_{2}Al_{2}O_{4}\;}}{\;}$CH₃COOH
②將Cu₂Al₂O₄溶解在稀硝酸中的化學方程式為3Cu₂Al₂O₄+32HNO₃=6Cu（NO₃）₂+6Al（NO₃）₃+2NO↑+16H₂O
（4）以CO₂為原料可以合成多種物質．
①利用FeO吸收CO₂的化學方程式為：6 FeO+CO₂═2Fe₃O₄+C，則反應中每生成1 mol Fe₃O₄，轉移電子的物質的量為2mol．
②以氫氧化鉀水溶液作電解質進行電解，在銅電極上CO₂可轉化為CH₄，另一電極石墨連接電源的正極，則該電解反應的總化學方程式為CO₂+2H₂O$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$CH₄+2O₂．

Answer 1

分析 （1）根據蓋斯定律結合已知熱化學方程式來解答；
（2）①由圖可知，壓強一定時，溫度越高甲烷的轉化率越大，升高溫度平衡向正反應進行，據此判斷；
②由圖可知，溫度一定時，甲烷的轉化率α（P₁）＞α（P₂）＞α（P₃）＞α（P₄），據此結合方程式判斷壓強對平衡移動的影響進行解答；
③由圖可知，壓強為P₄、1100℃的條件下，到達平衡X點時甲烷的轉化率為80%，據此計算甲烷的濃度變化量，利用三段式計算平衡時各組分的平衡濃度，代入平衡常數表達式計算該溫度下的平衡常數；
④由于是將Y點平衡體系轉化為X點，而通過圖象可知，Y平衡體系和X平衡體系所處的溫度相同而壓強不同，且Y點的壓強更大，故由Y點變為X點是通過減小體系壓強來實現，據此分析；
（3）①CO₂和CH₄直接轉化成乙酸，由反應物、生成物結合質量守恒定律書寫反應方程式；
②Cu₂Al₂O₄溶解在稀硝酸中，發生氧化還原反應生成硝酸銅、硝酸鋁、NO和水；
（4）①反應中Fe元素化合價升高，C元素化合價降低，計算生成C的物質的量，結合C元素化合價變價計算轉移電子物質的量；
②根據原電池原理，CO₂在正極發生還原反應轉化為甲烷，注意電解質溶液為堿性．

解答 解：（1）CH₄（g）+2O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（g）△H=akJ•mol^-1    ①
  CO（g）+H₂O （g）=CO₂（g）+H₂ （g）△H=bkJ•mol^-1        ②
  2CO（g）+O₂（g）=2CO₂（g）△H=ckJ•mol^-1             ③
根據蓋斯定律，由①+②×2-③×2得，CO₂（g）+CH₄（g）?2CO（g）+2H₂（g）△H=+（a+2b?2c）kJ•mol^-1．
  故答案為：+（a+2b?2c）KJ/mol；
（2）①由圖可知，壓強一定時，溫度越高甲烷的轉化率越大，升高溫度平衡向正反應進行，故正反應為吸熱反應，即△H＞0，故答案為：＞；
②由圖可知，溫度一定時，甲烷的轉化率α（P₁）＞α（P₂）＞α（P₃）＞α（P₄），該反應正反應是氣體體積增大的反應，增大壓強平衡向逆反應進行，甲烷的轉化率降低，故壓強P₄＞P₃＞P₂＞P₁，故答案為：P₄＞P₃＞P₂＞P₁；
③由圖可知，壓強為P₄、1100℃的條件下，達到平衡X點時甲烷的轉化率為80%，甲烷的濃度變化量為0.1mol/L×80%=0.08mol/L，則：
               CH₄（g）+CO₂（g）=2CO（g）+2H₂（g），
開始（mol/L）：0.1      0.1      0        0
變化（mol/L）：0.08     0.08     0.16     0.16 
平衡（mol/L）：0.02     0.02     0.16     0.16
故該溫度下平衡常數k=$\frac{0.1{6}^{2}×0.1{6}^{2}}{0.02×0.02}$=1.64，故答案為：1.64；
④由于是將Y點平衡體系轉化為X點，而通過圖象可知，Y平衡體系和X平衡體系所處的溫度相同而壓強不同，且Y點的壓強更大，故由Y點變為X點是通過減小體系壓強來實現．減小壓強后，反應物和生成物的濃度突然變小，故v（正）和v（逆）均立即變小，但由于平衡右移，故反應物的濃度繼續減小，而生成物的濃度后來逐漸變大，則v（正）繼續變小，v（逆）后來增大，即由Y點變為X點，v（正）一直變小，而v（逆）先變小后增大，故選D；
（3）①CO₂和CH₄直接轉化成乙酸，由反應物、生成物及質量守恒定律可知反應方程式為CO₂+CH₄$\frac{\underline{\;Cu_{2}Al_{2}O_{4}\;}}{\;}$CH₃COOH，故答案為：CO₂+CH₄$\frac{\underline{\;Cu_{2}Al_{2}O_{4}\;}}{\;}$CH₃COOH；
②Cu₂Al₂O₄溶解在稀硝酸中，發生氧化還原反應生成硝酸銅、硝酸鋁、NO和水，化學反應為3Cu₂Al₂O₄+32HNO₃=6Cu（NO₃）₂+6Al（NO₃）₃+2NO↑+16H₂O，
故答案為：3Cu₂Al₂O₄+32HNO₃=6Cu（NO₃）₂+6Al（NO₃）₃+2NO↑+16H₂O；
（4）①由方程式可知，每生成1mol Fe₃O₄時生成0.5molC，C元素化合價由+4價降低為0價，故轉移電子為0.5mol×4=2mol，故答案為：2；
②CO₂在正極發生還原反應轉化為甲烷，電極反應為：CO₂+8e^-+6H₂O=CH₄+8OH^-，陽極上是氫氧根離子失電子的氧化反應，產生氧氣，總的電解原理方程式為：CO₂+2H₂O$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$CH₄+2O₂，故答案為：正；CO₂+2H₂O$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$CH₄+2O₂

點評 本題主要考查蓋斯定律、影響化學反應速率和平衡的因素以及原電池原理的運用等知識，綜合性較強，是高考的常見題型．