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值的化學產品是目前緩解溫室效應的研究方向．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”發生的反應為2Fe₃O₄$\frac{\underline{\;＞2300K\;}}{\;}$6FeO+O₂↑，則每分解1mol Fe₃O₄轉移電子的物質的量為
2mol②“重整系統”發生反應的化學方程式為6FeO+CO₂$\frac{700℃}{\;}$2Fe₃O₄+C
（2）一定條件下，CO₂和CH₄反應可生產合成氣（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．起始時在0.1MPa下，以n（H₂）：n（CO₂）=3：1的投料比將反應物充入反應器中，發生反應：2CO₂（g）+6H₂（g）?C₂H₄（g）+4H₂O（g）△H，保持壓強不變，不同溫度下平衡時的四種氣態物質的物質的量如圖2所示．
①曲線Ⅱ表示的物質為H₂O（填化學式），該反應的△H＜（填“＞”或“＜”）0．
②A、B兩點對應的反應速率v（A）、v（B）的大小關系為v（A）＜v（B）．B、C兩點對應溫度下反應的平衡常數大小關系為K（B）＜（填“＞”“＜”或“=”）K（C）．
③為提高CO₂ 的平衡轉化率，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\;}}{\;}$6FeO+O₂↑中元素化合價的變化，結合方程式進行計算；
②由示意圖可知，重整系統中CO₂和FeO反應生成Fe₃O₄和C；
（2）依據熱化學方程式和蓋斯定律，①+②×2-③×2得目標方程式，據此計算反應焓變；
（3）①根據題給圖象知，平衡時氫氣的物質的量隨溫度的升高而增大，則曲線a代表反應物CO₂，曲線b、c表示生成物，又曲線b表示的物質平衡時物質的量大，結合方程式分析，曲線b表示的物質為H₂O；
依據所給圖象可知，平衡時氫氣的物質的量隨溫度的升高而增大，平衡逆向移動，據此判斷反應焓變；
②依據溫度對反應速率、化學平衡常數影響解答；
③該反應為氣體物質的量減小的放熱反應，為提高CO₂的平衡轉化率，除改變溫度外，還可采取的措施是增大壓強或增大$\frac{n（{H}_{2}）}{n（C{O}_{2）}}$的比值．

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

點評 本題為綜合題，考查熱化學方程式書寫方法和蓋斯定律的計算應用，化學平衡、平衡常數、反應速率的影響因素分析，明確化學平衡相關規律、清楚圖象含義是解題關鍵，題目難度中等．