Question

2．研究CO₂的利用對促進低碳社會的構建具有重要意義．
（1）將CO₂與焦炭作用生成CO，CO可用于煉鐵等．
已知：①Fe₂O₃（s）+3C（石墨）=2Fe（s）+3CO（g）△H₁=+489.0kJ•mol^-1
②C（石墨）+CO₂（g）=2CO（g）△H₂=+172.5kJ•mol^-1
則CO還原Fe₂O₃（s）的熱化學方程式為Fe₂O₃（s）+3CO（g）=2Fe（s）+3CO₂（g）△H=-28.5 kJ•mol^-1．
（2）二氧化碳合成甲醇是碳減排的新方向，將CO₂轉化為甲醇的熱化學方程式為：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H
①該反應的平衡常數表達式為K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）•c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）•{c}^{3}（{H}_{2}）}$．
②取一定體積CO₂和H₂的混合氣體（物質的量之比為1：3），加入恒容密閉容器中發生上述反應，反應過程中測得甲醇的體積分數φ（CH₃OH）與反應溫度T的關系如圖1所示，則該反應的△H＜0（填“＞”、“＜”或“=”）．

③在兩種不同條件下發生反應，測得CH₃OH的物質的量隨時間變化如圖2所示，曲線Ⅰ、Ⅱ對應的平衡常數大小關系為K_Ⅰ＞K_Ⅱ（填“＞”、“＜”或“=”）．
（3）以CO₂為原料還可以合成多種物質．
①工業上尿素[CO（NH₂）₂]由CO₂和NH₃在一定條件下合成，其發生可逆反應的方程式為2NH₃+CO₂$\frac{\underline{\;一定條件\;}}{\;}$CO（NH₂）₂+H₂O．
②用硫酸溶液作電解質進行電解，CO₂在電極上可轉化為甲烷，請寫出該電極反應的方程式為CO₂+8e^-+8H⁺=CH₄+2H₂O．

Answer 1

分析 （1）依據熱化學方程式和蓋斯定律計算得到所需熱化學方程式，①-②×3得到Fe₂O₃（s）+3CO（g）=2Fe（s）+3CO₂（g）和反應焓變；
（2）①依據化學方程式和平衡常數概念寫出平衡常數表達式，平衡常數=$\frac{生成物平衡濃度系數次冪之積}{反應物平衡濃度系數次冪之積}$；
②由圖可知最高點反應到達平衡，到達平衡后，溫度越高，φ（CH₃OH）越小，升高溫度平衡向逆反應進行，據此判斷；
③由圖象分析先拐先平，溫度高T_Ⅱ先達到平衡則T_Ⅱ＞T_Ⅰ，縱軸是甲醇的物質的量，溫度越高，甲醇越少，平衡逆向進行分析判斷；
（3）①根據反應物、反應條件、生成物寫出，反應物是二氧化碳和氨氣（NH₃），反應條件是高溫、高壓，生成物是尿素[CO（NH₂）₂]和水；
②根據原電池原理，CO₂在正極發生還原反應轉化為甲烷，注意電解質溶液為酸性．

解答 解：（1）①Fe₂O₃（s）+3C（石墨）=2Fe（s）+3CO（g）△H₁=+489.0kJ•mol^-1
②C（石墨）+CO₂（g）=2CO（g）△H₂=+172.5kJ•mol^-1
依據蓋斯定律①-②×3得到Fe₂O₃（s）+3CO（g）=2Fe（s）+3CO₂（g）△H=-28.5 kJ•mol^-1；
故答案為：Fe₂O₃（s）+3CO（g）=2Fe（s）+3CO₂（g）△H=-28.5 kJ•mol^-1；
（2）①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，所以K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）•c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）•{c}^{3}（{H}_{2}）}$，
故答案為：$\frac{c（C{H}_{3}OH）•c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）•{c}^{3}（{H}_{2}）}$；
②由圖可知最高點反應到達平衡，達平衡后，溫度越高，φ（CH₃OH）越小，平衡向逆反應進行，升高溫度平衡吸熱方向進行，逆反應為吸熱反應，則正反應為放熱反應，即△H＜0，
故答案為：＜；
③由圖2可知，溫度T_Ⅰ＜T_Ⅱ，平衡時，溫度越高CO的轉化率越小，說明升高溫度，平衡向逆反應移動，升高溫度平衡向吸熱反應移動，故該反應正反應為放熱反應，則△H＜0，升高溫度，平衡向逆反應移動，所以K_Ⅰ＞K_Ⅱ，
故答案為：＞；
（3）①根據反應物是二氧化碳和氨氣（NH₃），反應條件是高溫、高壓，生成物是尿素[CO（NH₂）₂]和水，化學反應式為2NH₃+CO₂$\frac{\underline{\;一定條件\;}}{\;}$CO（NH₂）₂+H₂O，
故答案為：2NH₃+CO₂$\frac{\underline{\;一定條件\;}}{\;}$CO（NH₂）₂+H₂O；
②CO₂在正極發生還原反應轉化為甲烷，考慮電解質為硫酸，所以甲烷中氫來源為硫酸電離的氫離子，根據化合價變化可知1mol二氧化碳變成甲烷得到8mol電子，故電極反應為：CO₂+8e^-+8H⁺=CH₄+2H₂O，
故答案為：CO₂+8e^-+8H⁺=CH₄+2H₂O．

點評 本題考查了熱化學方程式的書寫、化學平衡移動、平衡常數概念理解、轉化率的計算及原電池原理的分析應用等，題目涉及的知識點較多，綜合性較強，難度中等．分析圖象時，要考慮先拐先平衡的原則，則反應條件為溫度高或壓強大，寫電極反應式一定要考慮介質的參與．