Question

15．最近科學家提出一種“綠色自由”構想：把空氣吹入碳酸鉀溶液，然后再把CO₂從溶液中提取出來，經化學反應后使空氣中的CO₂轉變為甲醇．其技術流程如下：

（1）吸收池中飽和碳酸鉀溶液的作用是富集空氣中的CO₂；
（2）分解池中發生反應化學方程式為2KHCO₃$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$K₂CO₃+CO₂↑+H₂O；
（3）合成塔中生成甲醇的反應，其原子利用率理論上否（能、否）達到100%．若合成塔中有2.2kg
CO₂與足量H₂恰好完全反應，生成氣態的水和甲醇，可放出2473.5kJ的熱量，試寫出合成塔中發生反應的熱化學方程式CO₂（g）+3H₂（g）=CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49.47KJ/mol．
（4）如果空氣不經過吸收池和分解池，而是直接通入合成塔，你認為不可以（填“可行”或“不可行”），理由是空氣中的氧氣和氫氣混合加熱或點燃可能發生爆炸．
（5）上述合成反應具有一定的可逆性，從平衡移動原理分析，低溫有利于原料氣的轉化，而實際生產中采用
300°C的溫度，其原因是提高催化劑的催化活性，加快反應速率．
（6）已知25℃時Ksp[Fe（OH）₃]=2.8×10^-39，則該溫度下反應Fe³⁺+3H₂O?Fe（OH）₃+3H⁺的平衡常數K=3.6×10^-4 ．

Answer 1

分析 把空氣吹入碳酸鉀溶液，碳酸鉀會吸收空氣中二氧化碳氣體，得到碳酸氫鉀溶液，在高溫水蒸汽中碳酸氫鉀分解生成碳酸鉀，二氧化碳和水，目的是富集二氧化碳，進入合成塔，通入氫氣在一定溫度壓強下反應生成甲醇；
（1）碳酸鉀吸收空氣中二氧化碳反應生成碳酸氫鉀；
（2）分解池中是碳酸氫鉀分解生成碳酸鉀、二氧化碳和水；
（3）依據合成甲醇的反應產物分析判斷原子利用率，原子利用率是指反應物中的所有原子進入期望產物中的百分比，反應達到完全轉化，即100%轉化為目標產物；
（4）空氣中的氧氣和氫氣混合加熱或點燃可能發生爆炸；
（5）依據影響反應速率的因素分析，此溫度會提高反應速率，催化劑活性最大；
（6）Fe³⁺+3H₂O?Fe（OH）₃+3H⁺，25℃時Ksp[Fe（OH）₃]=2.8×10^-39，Ksp=c（Fe³⁺）×c³（OH^-），Kw=c（H⁺）×c（OH^-），則K=$\frac{{c}^{3}（{H}^{+}）}{c（F{e}^{3+}）}$=$\frac{（\frac{Kw}{c（O{H}^{-}）}）^{3}}{c（F{e}^{3+}）}$=$\frac{K{w}^{3}}{Ksp}$．

解答 解：（1）碳酸鉀能和二氧化碳反應生成碳酸氫鈉，所以碳酸鉀的作用是：吸收空氣中二氧化碳，富集空氣中的CO₂，反應的化學方程式為：K₂CO₃+CO₂+H₂O=2KHCO₃，
故答案為：富集空氣中的CO₂；
（2）在加熱條件下，碳酸氫鉀能分解生成碳酸鉀、二氧化碳和水，化學方程式為：2KHCO₃$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$K₂CO₃+CO₂↑+H₂O；
故答案為：2KHCO₃$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$K₂CO₃+CO₂↑+H₂O；
（3）CO₂與H₂在300℃、2KPa的條件下生成水和甲醇，化學方程式為：CO₂+3H₂$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$H₂O+CH₃OH，產物有甲醇、還有H₂O，不符合轉化率100%，若合成塔中有2.2kgCO₂與足量H₂恰好完全反應，可放出2473.5kJ的熱量，1mol二氧化碳反應放熱49.47KJ，寫出合成塔中發生反應的熱化學方程式為：CO₂（g）+3H₂（g）=CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49.47KJ/mol；
故答案為：否；CO₂（g）+3H₂（g）=CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49.47KJ/mol；
（4）如果空氣不經過吸收池和分解池，而是直接通入合成塔，空氣中的氧氣和氫氣混合加熱或點燃可能發生爆炸，引發危險，
故答案為：不可以；空氣中的氧氣和氫氣混合加熱或點燃可能發生爆炸，
（5）依據影響反應速率的因素分析，此溫度會提高反應速率，催化劑活性最大，
故答案為：提高催化劑的催化活性，加快反應速率；
（6）Fe³⁺+3H₂O?Fe（OH）₃+3H⁺，25℃時Ksp[Fe（OH）₃]=2.8×10^-39，Ksp=c（Fe³⁺）×c³（OH^-），Kw=c（H⁺）×c（OH^-），則K=$\frac{{c}^{3}（{H}^{+}）}{c（F{e}^{3+}）}$=$\frac{（\frac{Kw}{c（O{H}^{-}）}）^{3}}{c（F{e}^{3+}）}$=$\frac{K{w}^{3}}{Ksp}$=$\frac{（1{0}^{-14}）^{3}}{2.8×1{0}^{-39}}$=3.6×10^-4，
故答案為：3.6×10^-4 ．

點評 本題考查了甲醇的工業生產，主要考查物質的相互轉化和制備的方法及注意事項，在解答時，首先分析題中的轉化流程，然后結合學過的知識進行解答，題目難度中等．