Question

20．CCUS是一种二氧化碳的捕获、利用与封存的技术，这种技术可将CO₂资源化，产生经济效益．
（1）已知：CH₄（g）+2O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（g）△H₁=-820kJ/mol
CO（g）+H₂O（g）═CO₂（g）+H₂（g）△H₂=-41.2kJ/mol
2CO（g）+O₂（g）═2CO₂（g）△H₃=-566kJ/mol则反应的
CO₂（g）+CH₄（g）═2CO（g）+2H₂（g）△H=+229.6kJ/mol
（2）工业上，可利用太阳能以CO₂为原料制取C，其原理如图1所示：整个过程中FeO（填“Fe₃O₄”或“FeO”）是反应的催化剂．重整系统中发生的反应为：6FeO+CO₂$\frac{\underline{\;700K\;}}{\;}$2Fe₃O₄+C每生成1mol Fe₃O₄，转移电子的物质的量为2mol．

（3）CO₂还可用于合成甲醇，反应方程式为：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H＜0
①该反应的平衡常数表达式为K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）•c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）•{c}^{3}（{H}_{2}）}$．
②在恒容的密闭容器中，加入H₂和CO₂的混合气体，不同温度条件，反应相同时间后，测得甲醇的体积分数（CH₃OH）如图2所示．图中A、B、C、D、E五个点对应的状态中，处于平衡状态的是C、D、E（填字母），B点和E点的反应速率大小关系为v（B）＜v（E）（填“＞”、“＜”、“=”）．
③一定温度下，在甲、乙两个容积相同的恒容密闭容器中，加入H₂和CO₂的混合气体．

容器	甲	乙
反应物投入量	1molCO2、3molH2	a molCO2、b molH2、c molCH3OH（g）、c molH2O（g）

甲容器平衡后气体的压强为开始时的80%，要使乙容器达平衡时与甲容器达到相同的平衡状态，且起始时反应逆向进行，则c的取值范围为0.4＜n（c）≤1mol．

Answer 1

分析 （1）①CH₄（g）+2O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（g）△H₁=-820kJ/mol
②CO（g）+H₂O（g）═CO₂（g）+H₂（g）△H₂=-41.2kJ/mol
③2CO（g）+O₂（g）═2CO₂（g）△H₃=-566kJ/mol则根据盖斯定律，①+2②-2③得CO₂（g）+CH₄（g）═2CO（g）+2H₂（g）△H=+229.6kJ/mol，由此分析解答；（2）氧化亚铁反应前后质量未变，反应2Fe₃O₄$\frac{\underline{\;2300K\;}}{\;}$6FeO+O₂↑中O元素化合价由-2价升高到0价，结合元素化合价以及方程式计算；
（3）①依据化学方程式和平衡常数概念写出平衡常数表达式；
②C点前是平衡的建立，C点后是平衡的移动，温度越高反应速率越快；
③根据平衡三部曲求出甲中平衡时各气体的物质的量，然后根据平衡后乙与甲中相同组分的体积分数相等，且起始时维持反应逆向进行来判断范围．

解答 解：（1）①CH₄（g）+2O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（g）△H₁=-820kJ/mol
②CO（g）+H₂O（g）═CO₂（g）+H₂（g）△H₂=-41.2kJ/mol
③2CO（g）+O₂（g）═2CO₂（g）△H₃=-566kJ/mol则根据盖斯定律，①+2②-2③得CO₂（g）+CH₄（g）═2CO（g）+2H₂（g）△H=+229.6kJ/mol，
故答案为：+229.6；
（2）氧化亚铁反应前后质量未变，所以催化剂是氧化亚铁，2Fe₃O₄$\frac{\underline{\;2300K\;}}{\;}$6FeO+O₂↑中O元素化合价由-2价升高到0价，由方程式可知，2molFe₃O₄参加反应，生成1mol氧气，转移4mol电子，则每分解lmolFe₃O₄转移电子的物质的量为2mol，故答案为：FeO；2mol；
（3）①平衡常数等于生成物的浓度幂之积除以反应物的浓度幂之积，所以K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）•c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）•{c}^{3}（{H}_{2}）}$，故答案为：$\frac{c（C{H}_{3}OH）•c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）•{c}^{3}（{H}_{2}）}$；
②C点前是平衡的建立，C点后是平衡的移动，温度越高反应速率越快，所以点C、D、E都是平衡状态，而E的温度高于B，所以E点的反应速率快，
故答案为：C、D、E；＜；
③CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）
初始：1        3         0          0
平衡：1-x     3-3x       x          x
甲中平衡后气体的压强为开始时的0.8倍，即（4-2x）/4=80%  
   解得x=0.4mol
依题意：甲、乙为等同平衡，且起始时维持反应逆向进行，所以全部由生成物投料，c的物质的量为1mol，c 的物质的量不能低于平衡时的物质的量0.4mol，所以c的物质的量为：0.4＜n（c）≤1mol，故答案为：0.4＜n（c）≤1mol．

点评 本题考查涉及知识点较多，涉及平衡常数的表达式、盖斯定律以及外界条件对平衡移动的影响等问题，题目难度中等，本题注意把握计算方法．