Question

1．二氧化碳作為含碳化合物燃燒的最終產物，其排放量正以每年4%的速度遞增，大氣中高濃度的CO₂破壞了大氣平衡，是造成全球氣溫升高、氣候惡化的主要原因．隨著科技進步和人類環(huán)保意識的增強，如何利用和固定CO₂已經(jīng)成為世界各國政府和有識之士特別關注的問題．
根據(jù)反應：
CO（g）+H₂O（g）═CO₂（g）+H₂（g）△H=-41.2kJ•mol^-1
CH₄（g）+H₂O（g）═CO（g）+3H₂（g）△H=+206.2kJ•mol^-1
某化學興趣小組設想利用甲烷和二氧化碳反應制取一氧化碳和氫氣，實現(xiàn)廢氣利用，變廢為寶，試回答下列問題：
（1）寫出該反應的熱化學方程式CH₄（g）+CO₂（g）═2CO（g）+2H₂（g）△H=+247.4kJ•mol^-1．
（2）已知：①體系自由能變化△G＜0時，反應自發(fā)進行；△G＞0時，反應不自發(fā)進行；②△G=△H-T△S；③高溫下該反應的△S=0.257kJ•mol^-1•K^-1．若不考慮條件變化對焓變、熵變的影響，據(jù)此可初步判斷反應進行的最低溫度應大于926.6KK．
（3）該反應為可逆反應，其平衡常數(shù)表達式K=$\frac{{c}^{2}（CO）×{c}^{2}（{H}_{2}）}{c（C{H}_{4}）×c（C{O}_{2}）}$；為提高該反應的速度，需選擇合適的催化劑，根據(jù)中學化學催化劑的實際應用經(jīng)驗，興趣小組將選擇的重點范圍確定為過渡（填“主族”或“過渡”）元素的單質或氧化物．由于該反應需在較高溫度下才能發(fā)生，對催化劑的選擇探究增加了困難．某同學認為，該反應的逆反應在常溫時能自發(fā)進行（△G＜0），可在常溫下對逆反應進行催化劑的選擇探究，然后再對該催化劑的催化效率受溫度的影響進行探究．一種對逆反應有效的催化劑，對正反應也一定有效，其理由是催化劑不影響化學平衡移動，說明催化劑同等程度改變正反應速率、逆反應速率．
（4）碳酸鹽是人工固定二氧化碳僅次于尿素的第二大產品，用途廣泛，一種熔融碳酸鹽燃料電池用Li₂CO₃和K₂CO₃的熔融鹽混合物作電解質，由外部向一電極供給燃料氣體（如H₂或CO等），向另一電極供給空氣和CO₂的混合氣體，寫出正極的電極反應式2CO₂+O₂+4e^-=2CO₃^2-．
（5）自然界固定二氧化碳的主要方式是綠色植物的光合作用．生物學家曾經(jīng)認為地球上的生態(tài)系統(tǒng)離不開陽光，但在11000m漆黑的深海底發(fā)現(xiàn)了無脊椎動物．這些生物完全依靠化學自養(yǎng)菌，以海底熱泉噴出液中的硫化物如H₂S為能源，利用CO₂合成（C₆H₁₀O₃）_n和一種淡黃色固體，寫出該反應的化學方程式6n CO₂+12n H₂S=（C₆H₁₀O₃）_n+12n S↓+7n H₂O．

Answer 1

分析 （1）根據(jù)蓋斯定律，由已知熱化學方程式乘以適當?shù)南禂?shù)進行加減構造目標熱化學方程式；
（2）△G=△H-T△S＜0時，反應自發(fā)進行；
（3）化學平衡常數(shù)，是指在一定溫度下，可逆反應達到平衡時各生成物濃度的化學計量數(shù)次冪的乘積除以各反應物濃度的化學計量數(shù)次冪的乘積所得的比值；
一般在過渡元素中需找合適的催化劑；
催化劑不影響化學平衡移動，說明催化劑同等程度改變正逆反應速率；
（4）原電池正極發(fā)生還原反應，二氧化碳與氧氣在正極通入，氧氣獲得電子生成碳酸根離子；
（5）由題目信息可知，二氧化碳與硫化氫反應得到（C₆H₁₀O₃）_n和淡黃色固體S，由C、O比例關系可知應有水生成，配平書寫方程式．

解答 解：（1）已知：①．CO（g）+H₂O（g）═CO₂（g）+H₂（g）△H=-41.2kJ•mol^-1
②．CH₄（g）+H₂O（g）═CO（g）+3H₂（g）△H=+206.2kJ•mol^-1
根據(jù)蓋斯定律，②-①可得：CH₄（g）+CO₂（g）═2CO（g）+2H₂（g）△H=+247.4kJ•mol^-1，
故答案為：CH₄（g）+CO₂（g）═2CO（g）+2H₂（g）△H=+247.4kJ•mol^-1；
（2）反應的△H=+247.4kJ•mol^-1，△S=0.257kJ•mol^-1•K^-1，△G=△H-T△S＜0時，反應自發(fā)進行，故247.4kJ•mol^-1-T×0.257kJ•mol^-1•K^-1＜0，解得T＞926.6K，
故答案為：926.6K；
（3）反應CH₄（g）+CO₂（g）?2CO（g）+2H₂（g）的平衡常數(shù)K=$\frac{{c}^{2}（CO）×{c}^{2}（{H}_{2}）}{c（C{H}_{4}）×c（C{O}_{2}）}$；一般在過渡元素中需找合適的催化劑；催化劑不影響化學平衡移動，說明催化劑同等程度改變正反應速率、逆反應速率，
故答案為：$\frac{{c}^{2}（CO）×{c}^{2}（{H}_{2}）}{c（C{H}_{4}）×c（C{O}_{2}）}$；過渡；催化劑不影響化學平衡移動，說明催化劑同等程度改變正反應速率、逆反應速率；
（4）原電池正極發(fā)生還原反應，二氧化碳與氧氣在正極通入，氧氣獲得電子生成碳酸根離子，電極反應式為：2CO₂+O₂+4e^-=2CO₃^2-，
故答案為：2CO₂+O₂+4e^-=2CO₃^2-；
（5）由題目信息可知，二氧化碳與硫化氫反應得到（C₆H₁₀O₃）_n和淡黃色固體S，由C、O比例關系可知應有水生成，該反應方程式為：6n CO₂+12n H₂S=（C₆H₁₀O₃）_n+12n S↓+7n H₂O，
故答案為：6n CO₂+12n H₂S=（C₆H₁₀O₃）_n+12n S↓+7n H₂O．

點評 本題屬于拼合型題目，涉及熱化學方程式書寫、反應自發(fā)性問題、平衡常數(shù)、催化劑對反應速率與化學平衡乙烯、原電池、化學方程式書寫等，需要學生具備扎實的基礎，難度中等．