Question

8．CO₂和CH₄是兩種重要的溫室氣體，通過CH₄和CO₂反應制造更高價值化學品是目前的研究目標．
（1）250℃時，以鎳合金為催化劑，向4L容器中通入6mol CO₂、6mol CH₄，發生如下反應：CO₂（g）+CH₄（g）?2CO（g）+2H₂（g）．平衡體系中各組分體積分數如表：

物質	CH4	CO2	CO	H2
體積分數	0.1	0.1	0.4	0.4

①此溫度下該反應的平衡常數K=64．
②已知：CH₄（g）+2O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-890.3kJ•mol^-1
CO（g）+H₂O （g）═CO₂（g）+H₂ （g）△H=+2.8kJ•mol^-1
2CO（g）+O₂（g）═2CO₂（g）△H=-566.0kJ•mol^-1
反應CO₂（g）+CH₄（g）?2CO（g）+2H₂（g）的△H=+247.3kJ•mol^-1
（2）以二氧化鈦表面覆蓋Cu₂Al₂O₄為催化劑，可以將CO₂和CH₄直接轉化成乙酸．
①在不同溫度下催化劑的催化效率與乙酸的生成速率如圖1所示．250～300℃時，溫度升高而乙酸的生成速率降低的原因是溫度超過250℃時，催化劑的催化效率降低．

②為了提高該反應中CH₄的轉化率，可以采取的措施是增大反應壓強、增大CO₂的濃度．
③將Cu₂Al₂O₄溶解在稀硝酸中的離子方程式為3Cu₂Al₂O₄+32H⁺+2NO₃^-=6Cu²⁺+6Al³⁺+2NO↑+16H₂O．
（3）Li₂O、Na₂O、MgO均能吸收CO₂．①如果尋找吸收CO₂的其他物質，下列建議合理的是ab．
a．可在堿性氧化物中尋找
b．可在ⅠA、ⅡA族元素形成的氧化物中尋找
c．可在具有強氧化性的物質中尋找
②Li₂O吸收CO₂后，產物用于合成Li₄SiO₄，Li₄SiO₄用于吸收、釋放CO₂．原理是：在500℃，CO₂與Li₄SiO₄接觸后生成Li₂CO₃；平衡后加熱至700℃，反應逆向進行，放出CO₂，Li₄SiO₄再生，說明該原理的化學方程式是CO₂+Li₄SiO₄$?_{700℃}^{500℃}$Li₂CO₃+Li₂SiO₃．
（4）利用反應A可將釋放的CO₂轉化為具有工業利用價值的產品．
反應A：CO₂+H₂O$\frac{\underline{\;電解\;}}{高溫}$CO+H₂+O₂
高溫電解技術能高效實現（3）中反應A，工作原理示意圖如圖2：CO₂在電極a放電的反應式是CO₂+2e^-═CO+O^2-．

Answer 1

分析 （1）①設反應了CO₂x，列三段式，根據體積分數計算x，代入化學平衡常數計算；
②已知：ⅠCH₄（g）+2O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-890.3kJ•mol^-1
ⅡCO（g）+H₂O （g）═CO₂（g）+H₂ （g）△H=+2.8kJ•mol^-1
Ⅲ2CO（g）+O₂（g）═2CO₂（g）△H=-566.0kJ•mol^-1
由蓋斯定律Ⅰ+Ⅱ×2-Ⅲ×2可得CO₂（g）+CH₄（g）?2CO（g）+2H₂（g），據此計算；
（2）①根據溫度對催化劑活性的影響；
②根據外界條件對化學平衡的影響，平衡正向移動，反應物轉化率增大；
③先將Cu₂Al₂O₄拆成氧化物的形式：Cu₂O•Al₂O₃，再根據氧化物與酸反應生成離子方程式，需要注意的是一價銅具有還原性；
（3）①二氧化碳為酸性氣體，Li₂O、Na₂O、MgO均能吸收CO₂與氧化性無關；
②根據題干信息，反應物為CO₂與Li₄SiO₄，生成物有Li₂CO₃，根據質量守恒進行解答；
（4）二氧化碳、水分別在a極得到電子發生還原反應生成一氧化碳、氫氣，同時生成氧離子．

解答 解：（1）①250℃時，以鎳合金為催化劑，向4L容器中通入6mol CO₂、6mol CH₄，反應了CO₂x：
   CO₂（g）+CH₄（g）?2CO（g）+2H₂（g）
n始：6           6                0                0
n轉：x            x               2x               2x
n平：6-x         6-x            2x               2x
由CO₂的體積分數為0.1，則$\frac{6-x}{6-x+6-x+2x+2x}$=0.1，解得x=4，則K=$\frac{（8mol÷4L）^{4}}{（2mol÷4L）^{2}}$=64；
故答案為：64；
②已知：ⅠCH₄（g）+2O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-890.3kJ•mol^-1
ⅡCO（g）+H₂O （g）═CO₂（g）+H₂ （g）△H=+2.8kJ•mol^-1
Ⅲ2CO（g）+O₂（g）═2CO₂（g）△H=-566.0kJ•mol^-1
由蓋斯定律Ⅰ+Ⅱ×2-Ⅲ×2可得CO₂（g）+CH₄（g）?2CO（g）+2H₂（g）△H=-890.3kJ•mol^-1+2.8kJ•mol^-1×2+566.0kJ•mol^-1×2=+247.3 kJ•mol^-1；
故答案為：+247.3 kJ•mol^-1；
（2）①溫度超過250℃時，催化劑的催化效率降低，所以溫度升高而乙酸的生成速率降低；
故答案：溫度超過250℃時，催化劑的催化效率降低；
②增大反應壓強、增大CO₂的濃度，平衡正向移動，反應物轉化率增大；
故答案為：增大反應壓強、增大CO₂的濃度；
③Cu₂Al₂O₄拆成氧化物的形式：Cu₂O•Al₂O₃，與酸反應生成離子方程式：3Cu₂Al₂O₄+32H⁺+2NO₃^-=6Cu²⁺+6Al³⁺+2NO↑+16H₂O；
故答案為：3Cu₂Al₂O₄+32H⁺+2NO₃^-=6Cu²⁺+6Al³⁺+2NO↑+16H₂O；
（3）①a．Li₂O、Na₂O、MgO均屬于堿性氧化物，均能吸收酸性氧化物CO₂，可在堿性氧化物中尋找吸收CO₂的其他物質，故a正確；
b．Li₂O、Na₂O、MgO均能吸收CO₂，鈉、鎂、鋁為ⅠA、ⅡA族元素，所以可在ⅠA、ⅡA族元素形成的氧化物中尋找吸收CO₂的其他物質，故b正確；
c．Li₂O、Na₂O、MgO均能吸收CO₂，但它們都沒有強氧化性，且吸收二氧化碳與氧化還原無關，故c錯誤；
故答案為：ab；
②在500℃，CO₂與Li₄SiO₄接觸后生成Li₂CO₃，反應物為CO₂與Li₄SiO₄，生成物有Li₂CO₃，根據質量守恒可知產物還有Li₂SiO₃，所以化學方程式為：CO₂+Li₄SiO₄$?_{700℃}^{500℃}$ Li₂CO₃+Li₂SiO₃；
故答案為：CO₂+Li₄SiO₄$?_{700℃}^{500℃}$ Li₂CO₃+Li₂SiO₃；
（4）二氧化碳在a極得到電子發生還原反應生成一氧化碳同時生成氧離子，反應電極反應式為：CO₂+2e^-═CO+O^2-；
故答案為：CO₂+2e^-═CO+O^2-．

點評 本題考查了綜合利用CO₂，涉及蓋斯定律以及化學反應常數、化學平衡以及原電池原理的運用，難度中等，掌握基礎，分析題目信息，根據所學知識即可完成．