Question

11．CO₂和CH₄是两种重要的温窒气体，通过CH₄和CO₂反应制造更高价值的化学品是目前的研究方向．
（1）已知：CH₄（g）+2O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（g）△H₁═a kJ•mol^-1
CO（g）+H₂O （g）═CO₂（g）+H₂ （g）△H₂═b kJ•mol^-1
2CO（g）+O₂（g）═2CO₂（g）△H₃═c kJ•mol^-1
反应CO₂（g）+CH₄（g）═2CO（g）+2H₂（g） 的△H═+（a+2b?2c）KJ/mol；
（2）在一密闭容器中通入物质的量浓度均为0.1mol/L的CH₄与CO₂，在一定条件下发生上述反应，测得CH₄的平衡转化率与温度及压强的关系如图．

①判断该反应的△H＞0（填“＞”“＜”或“=”）
②压强P₁、P₂、P₃、P₄ 由大到小的顺序为P₄＞P₃＞P₂＞P₁
③1100℃该反应的平衡常数为1.64（保留小数点后一位）
④在不改变反应物用量的前提下，采取合理措施将Y点平衡体系转化为X点，在转化过程中，下列变化正确的是d（填序号）
a．v（正）一直增大   b．v（逆）一直增大
c．v（正）先减小后增大  d．v（逆）先减小后增大
（3）以Cu₂Al₂O₄为催化剂，可以将CO₂和CH₄直接转化为乙酸．
①该反应的化学方程式为CO₂+CH₄$\frac{\underline{\;Cu_{2}Al_{2}O_{4}\;}}{\;}$CH₃COOH
②将Cu₂Al₂O₄溶解在稀硝酸中的化学方程式为3Cu₂Al₂O₄+32HNO₃=6Cu（NO₃）₂+6Al（NO₃）₃+2NO↑+16H₂O
（4）以CO₂为原料可以合成多种物质．
①利用FeO吸收CO₂的化学方程式为：6 FeO+CO₂═2Fe₃O₄+C，则反应中每生成1 mol Fe₃O₄，转移电子的物质的量为2mol．
②以氢氧化钾水溶液作电解质进行电解，在铜电极上CO₂可转化为CH₄，另一电极石墨连接电源的正极，则该电解反应的总化学方程式为CO₂+2H₂O$\frac{\underline{\;通电\;}}{\;}$CH₄+2O₂．

Answer 1

分析 （1）根据盖斯定律结合已知热化学方程式来解答；
（2）①由图可知，压强一定时，温度越高甲烷的转化率越大，升高温度平衡向正反应进行，据此判断；
②由图可知，温度一定时，甲烷的转化率α（P₁）＞α（P₂）＞α（P₃）＞α（P₄），据此结合方程式判断压强对平衡移动的影响进行解答；
③由图可知，压强为P₄、1100℃的条件下，到达平衡X点时甲烷的转化率为80%，据此计算甲烷的浓度变化量，利用三段式计算平衡时各组分的平衡浓度，代入平衡常数表达式计算该温度下的平衡常数；
④由于是将Y点平衡体系转化为X点，而通过图象可知，Y平衡体系和X平衡体系所处的温度相同而压强不同，且Y点的压强更大，故由Y点变为X点是通过减小体系压强来实现，据此分析；
（3）①CO₂和CH₄直接转化成乙酸，由反应物、生成物结合质量守恒定律书写反应方程式；
②Cu₂Al₂O₄溶解在稀硝酸中，发生氧化还原反应生成硝酸铜、硝酸铝、NO和水；
（4）①反应中Fe元素化合价升高，C元素化合价降低，计算生成C的物质的量，结合C元素化合价变价计算转移电子物质的量；
②根据原电池原理，CO₂在正极发生还原反应转化为甲烷，注意电解质溶液为碱性．

解答 解：（1）CH₄（g）+2O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（g）△H=akJ•mol^-1    ①
  CO（g）+H₂O （g）=CO₂（g）+H₂ （g）△H=bkJ•mol^-1        ②
  2CO（g）+O₂（g）=2CO₂（g）△H=ckJ•mol^-1             ③
根据盖斯定律，由①+②×2-③×2得，CO₂（g）+CH₄（g）?2CO（g）+2H₂（g）△H=+（a+2b?2c）kJ•mol^-1．
  故答案为：+（a+2b?2c）KJ/mol；
（2）①由图可知，压强一定时，温度越高甲烷的转化率越大，升高温度平衡向正反应进行，故正反应为吸热反应，即△H＞0，故答案为：＞；
②由图可知，温度一定时，甲烷的转化率α（P₁）＞α（P₂）＞α（P₃）＞α（P₄），该反应正反应是气体体积增大的反应，增大压强平衡向逆反应进行，甲烷的转化率降低，故压强P₄＞P₃＞P₂＞P₁，故答案为：P₄＞P₃＞P₂＞P₁；
③由图可知，压强为P₄、1100℃的条件下，达到平衡X点时甲烷的转化率为80%，甲烷的浓度变化量为0.1mol/L×80%=0.08mol/L，则：
               CH₄（g）+CO₂（g）=2CO（g）+2H₂（g），
开始（mol/L）：0.1      0.1      0        0
变化（mol/L）：0.08     0.08     0.16     0.16 
平衡（mol/L）：0.02     0.02     0.16     0.16
故该温度下平衡常数k=$\frac{0.1{6}^{2}×0.1{6}^{2}}{0.02×0.02}$=1.64，故答案为：1.64；
④由于是将Y点平衡体系转化为X点，而通过图象可知，Y平衡体系和X平衡体系所处的温度相同而压强不同，且Y点的压强更大，故由Y点变为X点是通过减小体系压强来实现．减小压强后，反应物和生成物的浓度突然变小，故v（正）和v（逆）均立即变小，但由于平衡右移，故反应物的浓度继续减小，而生成物的浓度后来逐渐变大，则v（正）继续变小，v（逆）后来增大，即由Y点变为X点，v（正）一直变小，而v（逆）先变小后增大，故选D；
（3）①CO₂和CH₄直接转化成乙酸，由反应物、生成物及质量守恒定律可知反应方程式为CO₂+CH₄$\frac{\underline{\;Cu_{2}Al_{2}O_{4}\;}}{\;}$CH₃COOH，故答案为：CO₂+CH₄$\frac{\underline{\;Cu_{2}Al_{2}O_{4}\;}}{\;}$CH₃COOH；
②Cu₂Al₂O₄溶解在稀硝酸中，发生氧化还原反应生成硝酸铜、硝酸铝、NO和水，化学反应为3Cu₂Al₂O₄+32HNO₃=6Cu（NO₃）₂+6Al（NO₃）₃+2NO↑+16H₂O，
故答案为：3Cu₂Al₂O₄+32HNO₃=6Cu（NO₃）₂+6Al（NO₃）₃+2NO↑+16H₂O；
（4）①由方程式可知，每生成1mol Fe₃O₄时生成0.5molC，C元素化合价由+4价降低为0价，故转移电子为0.5mol×4=2mol，故答案为：2；
②CO₂在正极发生还原反应转化为甲烷，电极反应为：CO₂+8e^-+6H₂O=CH₄+8OH^-，阳极上是氢氧根离子失电子的氧化反应，产生氧气，总的电解原理方程式为：CO₂+2H₂O$\frac{\underline{\;通电\;}}{\;}$CH₄+2O₂，故答案为：正；CO₂+2H₂O$\frac{\underline{\;通电\;}}{\;}$CH₄+2O₂

点评 本题主要考查盖斯定律、影响化学反应速率和平衡的因素以及原电池原理的运用等知识，综合性较强，是高考的常见题型．