Question

19．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下表：

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?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先利用三段法求出各物質的物質的量，然后再根據平衡常數等于生成物的濃度冪之積除以反應物的濃度冪之積；
②根據蓋斯定律來解答；
（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）①CO₂（g）+CH₄（g）?2CO（g）+2H₂（g）．
起始（mol）   6         6        0       0
反應（mol）   X         X        2X      2X
平衡（mol）  6-X      6-X        2X      2X
由CH₄的體積分數為0.1，則$\frac{6-X}{12+2X}$=0.1，解得X=4，所以①K=$\frac{{c}^{2}（CO）×{c}^{2}（{H}_{2}）}{c（C{O}_{2}）×c（C{H}_{4}）}$=$\frac{{2}^{2}{×2}^{2}}{0.5×0.5}$=64，
故答案為：64；    
②CH₄（g）+2O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-890.3kJ•mol^-1    ①
  CO（g）+H₂O （g）=CO₂（g）+H₂ （g）△H=2.8kJ•mol^-1        ②
  2CO（g）+O₂（g）=2CO₂（g）△H=-566.0kJ•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=-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?Li₂CO₃+Li₂SiO₃，故答案為：CO₂+Li₄SiO₄?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 本題主要考查了綜合利用CO₂，涉及熱化學反應、電化學、化學平衡影響因素等，較為綜合，題目難度中等．