Question

9．CO₂和CH₄是兩種主要的溫室氣體，以CH₄和CO₂為原料制造更高價值的化學產(chǎn)品是用來緩解溫室效應的研究方向，回答下列問題：
（1）由CO₂制取C的太陽能工藝如圖1所示．

①“熱分解系統(tǒng)”發(fā)生的反應為2Fe₃O₄ $\frac{\underline{\;＞2300K\;}}{\;}$6FeO+O₂↑，每分解lmolFe₃O₄轉移電子的物質的量為2mol．
②“重整系統(tǒng)”發(fā)生反應的化學方程式為6FeO+CO₂$\frac{\underline{\;700\;}}{\;}$2Fe₃O₄+C．
（2）一定條件下，CO₂和CH₄反應可生產(chǎn)合成氣（CO、H₂的混合氣體），其可用于合成多種液體燃料．
已知：
CH₄（g）+2O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（g）△H₂=-802.3kJ•mol^-1
CO（g）+H₂O（g）=CO₂（g）+H₂（g）△H₂=-41.0kJ•mol^-1
2CO（g）+O₂（g）=2CO₂（g）△H₂=-566.0kJ•mol^-1
反應CO₂（g）+CH₄（g）?2CO（g）+2H₂（g）的△H=+247.7kJ•mol^-1
（3）CH₄也可經(jīng)催化劑重整生產(chǎn)化工原料，最近科學家們在恒溫恒容的密閉體系中利用CH₄無氧重整獲得芳香烴：8CH₄（g）$→_{Pt}^{2MPa，550℃}$H₂C--CH₃（g）+11H₂△H=kJ•mol^-1．
下列有關該反應的說法中正確的是BC．
A、可研發(fā)新的催化劑，提高CH₄的轉化率
B、當體系壓強不變時，反應達到平衡
C、當有32molC-H鍵斷裂，同時有11molH-H鍵斷裂，反應達到平衡
D、達到平衡時，放出（或吸收）的熱量為mkJ
（4）CO₂催化加氫可合成低碳烯烴，起始時在0.1MPa下，以n（H₂）：n（CO₂）=3：1的投料比例將反應物放入反應器中，發(fā)生反應：2CO₂（g）+6H₂（g）?C₂H₄（g）+4H₂O（g）△H，保持壓強不變，不同溫度下，平衡時的四種氣態(tài)物質的量如圖2所示：
①曲線Ⅱ表示的物質為H₂O（填化學式），該反應的△H＜（填“＞”或“＜”）0．
②A、B兩點對應的反應的反應速率v（A）、v（B）的大小關系為v（A）＜v（B）．B、C兩點對應溫度下反應的平衡常數(shù)大小關系為K（B）＜（填“＞”“＜”或“=”）K（C）
③為提高CO₂平衡轉化率，除改變溫度外，還可以采取的措施是增大壓強或增大n（H₂）/n（CO₂）的比值．（舉一種）

Answer 1

分析 （1）①反應2Fe₃O₄$\frac{\underline{\;2300K\;}}{\;}$6FeO+O₂↑中O元素化合價由-2價升高到0價，結合元素化合價以及方程式計算；
②由示意圖可知，重整系統(tǒng)中CO₂和FeO反應生成Fe₃O₄和C；
（2）依據(jù)熱化學方程式和蓋斯定律計算得到所需熱化學方程式，根據(jù)蓋斯定律，由①+②×2-③×2得，CO₂（g）+CH₄（g）?2CO（g）+2H₂（g）；
（3）A、催化劑改變反應速率不改變化學平衡；
B、反應前后氣體體積增大，氣體壓強之比等于氣體物質的量之比，氣體壓強不變，反應達到平衡狀態(tài)；
C、當有32molC-H鍵斷裂，同時有11molH-H鍵斷裂，說明正逆反應速率相同；
D、依據(jù)化學方程式分析，區(qū)別焓變和反應放出的熱量，焓變是指8mol甲烷完全反應放出或吸收的熱量為mkJ；
（4）①根據(jù)題給圖象知，平衡時氫氣的物質的量隨溫度的升高而增大，則曲線a代表反應物CO₂，曲線b、c表示生成物，又曲線b表示的物質平衡時物質的量大，結合方程式分析，曲線b表示的物質為H₂O，據(jù)題給圖象知，平衡時氫氣的物質的量隨溫度的升高而增大，平衡逆向移動，該反應的△H＜0；
②溫度越高，反應速率越大，反應是放熱反應，升溫平衡逆向進行，平衡常數(shù)減��；
③該反應為氣體物質的量減小的放熱反應，為提高CO₂的平衡轉化率，除改變溫度外，還可采取的措施是增大壓強或增大n（H₂）/n（CO₂）的比值．

解答 解：（1）①反應2Fe₃O₄$\frac{\underline{\;2300K\;}}{\;}$6FeO+O₂↑中O元素化合價由-2價升高到0價，由方程式可知，2molFe₃O₄參加反應，生成1mol氧氣，轉移4mol電子，則每分解lmolFe₃O₄轉移電子的物質的量為2mol，
故答案為：2mol；
②由示意圖可知，重整系統(tǒng)中CO₂和FeO反應生成Fe₃O₄和C，反應的方程式為6FeO+CO₂$\frac{\underline{\;700K\;}}{\;}$2Fe₃O₄+C，故答案為：6FeO+CO₂$\frac{\underline{\;700\;}}{\;}$2Fe₃O₄+C；
（2）①CH₄（g）+2O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（g）△H₂=-802.3kJ•mol^-1
②CO（g）+H₂O（g）=CO₂（g）+H₂（g）△H₂=-41.0kJ•mol^-1
③2CO（g）+O₂（g）=2CO₂（g）△H₂=-566.0kJ•mol^-1
根據(jù)蓋斯定律，由①+②×2-③×2得，CO₂（g）+CH₄（g）?2CO（g）+2H₂（g）△H=[-802.3-2×41.0-（-566）×2]kJ•mol^-1=+247.7KJ/mol，
故答案為：247.7；
（3）A、催化劑改變反應速率不改變化學平衡，不能提高CH₄的轉化率，故A錯誤；
B、反應前后氣體體積增大，氣體壓強之比等于氣體物質的量之比，氣體壓強不變，說明反應達到平衡狀態(tài)，故B正確；
C、當有32molC-H鍵斷裂，同時有11molH-H鍵斷裂，說明正逆反應速率相同，反應達到平衡狀態(tài)，故C正確；
D、依據(jù)化學方程式分析，區(qū)別焓變和反應放出的熱量，焓變是指8mol甲烷完全反應放出或吸收的熱量為mkJ，故D錯誤；
故選BC；
（4）①根據(jù)題給圖象知，平衡時氫氣的物質的量隨溫度的升高而增大，則曲線a代表反應物CO₂，曲線b、c表示生成物，又曲線b表示的物質平衡時物質的量大，結合方程式分析，曲線Ⅱ表示的物質為H₂O，據(jù)題給圖象知，平衡時氫氣的物質的量隨溫度的升高而增大，平衡逆向移動，該反應的△H＜0；
故答案為：H₂O；＜；
②溫度越高，反應速率越大，B點溫度高，所以A、B兩點對應的反應的反應速率v（A）＜v（B），依據(jù)①分析可知反應是放熱反應，升溫平衡逆向進行，平衡常數(shù)減小，B點溫度高平衡常數(shù)是小，B、C兩點對應溫度下反應的平衡常數(shù)大小關系為K（B）＜K（C）；
故答案為：v（A）＜v（B）；＜；
③2CO₂（g）+6H₂（g）?C₂H₄（g）+4H₂O（g），該反應為氣體物質的量減小的放熱反應，為提高CO₂的平衡轉化率，除改變溫度外，還可采取的措施是增大壓強或增大n（H₂）/n（CO₂）的比值；
故答案為：增大壓強或增大n（H₂）/n（CO₂）的比值．

點評 本題考查熱化學方程式書寫方法和蓋斯定律的計算應用，化學平衡、平衡常數(shù)、反應速率的影響因素分析，圖象分析判斷是解題關鍵，題目難度中等．