Question

1．二氧化碳作為含碳化合物燃燒的最終產物，其排放量正以每年4%的速度遞增，大氣中高濃度的CO₂破壞了大氣平衡，是造成全球氣溫升高、氣候惡化的主要原因．隨著科技進步和人類環保意識的增強，如何利用和固定CO₂已經成為世界各國政府和有識之士特別關注的問題．
根據反應：
CO（g）+H₂O（g）═CO₂（g）+H₂（g）△H=-41.2kJ•mol^-1
CH₄（g）+H₂O（g）═CO（g）+3H₂（g）△H=+206.2kJ•mol^-1
某化學興趣小組設想利用甲烷和二氧化碳反應制取一氧化碳和氫氣，實現廢氣利用，變廢為寶，試回答下列問題：
（1）寫出該反應的熱化學方程式CH₄（g）+CO₂（g）═2CO（g）+2H₂（g）△H=+247.4kJ•mol^-1．
（2）已知：①體系自由能變化△G＜0時，反應自發進行；△G＞0時，反應不自發進行；②△G=△H-T△S；③高溫下該反應的△S=0.257kJ•mol^-1•K^-1．若不考慮條件變化對焓變、熵變的影響，據此可初步判斷反應進行的最低溫度應大于926.6KK．
（3）該反應為可逆反應，其平衡常數表達式K=$\frac{{c}^{2}（CO）×{c}^{2}（{H}_{2}）}{c（C{H}_{4}）×c（C{O}_{2}）}$；為提高該反應的速度，需選擇合適的催化劑，根據中學化學催化劑的實際應用經驗，興趣小組將選擇的重點范圍確定為過渡（填“主族”或“過渡”）元素的單質或氧化物．由于該反應需在較高溫度下才能發生，對催化劑的選擇探究增加了困難．某同學認為，該反應的逆反應在常溫時能自發進行（△G＜0），可在常溫下對逆反應進行催化劑的選擇探究，然后再對該催化劑的催化效率受溫度的影響進行探究．一種對逆反應有效的催化劑，對正反應也一定有效，其理由是催化劑不影響化學平衡移動，說明催化劑同等程度改變正反應速率、逆反應速率．
（4）碳酸鹽是人工固定二氧化碳僅次于尿素的第二大產品，用途廣泛，一種熔融碳酸鹽燃料電池用Li₂CO₃和K₂CO₃的熔融鹽混合物作電解質，由外部向一電極供給燃料氣體（如H₂或CO等），向另一電極供給空氣和CO₂的混合氣體，寫出正極的電極反應式2CO₂+O₂+4e^-=2CO₃^2-．
（5）自然界固定二氧化碳的主要方式是綠色植物的光合作用．生物學家曾經認為地球上的生態系統離不開陽光，但在11000m漆黑的深海底發現了無脊椎動物．這些生物完全依靠化學自養菌，以海底熱泉噴出液中的硫化物如H₂S為能源，利用CO₂合成（C₆H₁₀O₃）_n和一種淡黃色固體，寫出該反應的化學方程式6n CO₂+12n H₂S=（C₆H₁₀O₃）_n+12n S↓+7n H₂O．

Answer 1

分析 （1）根據蓋斯定律，由已知熱化學方程式乘以適當的系數進行加減構造目標熱化學方程式；
（2）△G=△H-T△S＜0時，反應自發進行；
（3）化學平衡常數，是指在一定溫度下，可逆反應達到平衡時各生成物濃度的化學計量數次冪的乘積除以各反應物濃度的化學計量數次冪的乘積所得的比值；
一般在過渡元素中需找合適的催化劑；
催化劑不影響化學平衡移動，說明催化劑同等程度改變正逆反應速率；
（4）原電池正極發生還原反應，二氧化碳與氧氣在正極通入，氧氣獲得電子生成碳酸根離子；
（5）由題目信息可知，二氧化碳與硫化氫反應得到（C₆H₁₀O₃）_n和淡黃色固體S，由C、O比例關系可知應有水生成，配平書寫方程式．

解答 解：（1）已知：①．CO（g）+H₂O（g）═CO₂（g）+H₂（g）△H=-41.2kJ•mol^-1
②．CH₄（g）+H₂O（g）═CO（g）+3H₂（g）△H=+206.2kJ•mol^-1
根據蓋斯定律，②-①可得：CH₄（g）+CO₂（g）═2CO（g）+2H₂（g）△H=+247.4kJ•mol^-1，
故答案為：CH₄（g）+CO₂（g）═2CO（g）+2H₂（g）△H=+247.4kJ•mol^-1；
（2）反應的△H=+247.4kJ•mol^-1，△S=0.257kJ•mol^-1•K^-1，△G=△H-T△S＜0時，反應自發進行，故247.4kJ•mol^-1-T×0.257kJ•mol^-1•K^-1＜0，解得T＞926.6K，
故答案為：926.6K；
（3）反應CH₄（g）+CO₂（g）?2CO（g）+2H₂（g）的平衡常數K=$\frac{{c}^{2}（CO）×{c}^{2}（{H}_{2}）}{c（C{H}_{4}）×c（C{O}_{2}）}$；一般在過渡元素中需找合適的催化劑；催化劑不影響化學平衡移動，說明催化劑同等程度改變正反應速率、逆反應速率，
故答案為：$\frac{{c}^{2}（CO）×{c}^{2}（{H}_{2}）}{c（C{H}_{4}）×c（C{O}_{2}）}$；過渡；催化劑不影響化學平衡移動，說明催化劑同等程度改變正反應速率、逆反應速率；
（4）原電池正極發生還原反應，二氧化碳與氧氣在正極通入，氧氣獲得電子生成碳酸根離子，電極反應式為：2CO₂+O₂+4e^-=2CO₃^2-，
故答案為：2CO₂+O₂+4e^-=2CO₃^2-；
（5）由題目信息可知，二氧化碳與硫化氫反應得到（C₆H₁₀O₃）_n和淡黃色固體S，由C、O比例關系可知應有水生成，該反應方程式為：6n CO₂+12n H₂S=（C₆H₁₀O₃）_n+12n S↓+7n H₂O，
故答案為：6n CO₂+12n H₂S=（C₆H₁₀O₃）_n+12n S↓+7n H₂O．

點評 本題屬于拼合型題目，涉及熱化學方程式書寫、反應自發性問題、平衡常數、催化劑對反應速率與化學平衡乙烯、原電池、化學方程式書寫等，需要學生具備扎實的基礎，難度中等．