Question

9．CO₂和CH₄是两种主要的温室气体，以CH₄和CO₂为原料制造更高价值的化学产品是用来缓解温室效应的研究方向，回答下列问题：
（1）由CO₂制取C的太阳能工艺如图1所示．

①“热分解系统”发生的反应为2Fe₃O₄ $\frac{\underline{\;＞2300K\;}}{\;}$6FeO+O₂↑，每分解lmolFe₃O₄转移电子的物质的量为2mol．
②“重整系统”发生反应的化学方程式为6FeO+CO₂$\frac{\underline{\;700\;}}{\;}$2Fe₃O₄+C．
（2）一定条件下，CO₂和CH₄反应可生产合成气（CO、H₂的混合气体），其可用于合成多种液体燃料．
已知：
CH₄（g）+2O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（g）△H₂=-802.3kJ•mol^-1
CO（g）+H₂O（g）=CO₂（g）+H₂（g）△H₂=-41.0kJ•mol^-1
2CO（g）+O₂（g）=2CO₂（g）△H₂=-566.0kJ•mol^-1
反应CO₂（g）+CH₄（g）?2CO（g）+2H₂（g）的△H=+247.7kJ•mol^-1
（3）CH₄也可经催化剂重整生产化工原料，最近科学家们在恒温恒容的密闭体系中利用CH₄无氧重整获得芳香烃：8CH₄（g）$→_{Pt}^{2MPa，550℃}$H₂C--CH₃（g）+11H₂△H=kJ•mol^-1．
下列有关该反应的说法中正确的是BC．
A、可研发新的催化剂，提高CH₄的转化率
B、当体系压强不变时，反应达到平衡
C、当有32molC-H键断裂，同时有11molH-H键断裂，反应达到平衡
D、达到平衡时，放出（或吸收）的热量为mkJ
（4）CO₂催化加氢可合成低碳烯烃，起始时在0.1MPa下，以n（H₂）：n（CO₂）=3：1的投料比例将反应物放入反应器中，发生反应：2CO₂（g）+6H₂（g）?C₂H₄（g）+4H₂O（g）△H，保持压强不变，不同温度下，平衡时的四种气态物质的量如图2所示：
①曲线Ⅱ表示的物质为H₂O（填化学式），该反应的△H＜（填“＞”或“＜”）0．
②A、B两点对应的反应的反应速率v（A）、v（B）的大小关系为v（A）＜v（B）．B、C两点对应温度下反应的平衡常数大小关系为K（B）＜（填“＞”“＜”或“=”）K（C）
③为提高CO₂平衡转化率，除改变温度外，还可以采取的措施是增大压强或增大n（H₂）/n（CO₂）的比值．（举一种）

Answer 1

分析 （1）①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；
②由示意图可知，重整系统中CO₂和FeO反应生成Fe₃O₄和C；
（2）依据热化学方程式和盖斯定律计算得到所需热化学方程式，根据盖斯定律，由①+②×2-③×2得，CO₂（g）+CH₄（g）?2CO（g）+2H₂（g）；
（3）A、催化剂改变反应速率不改变化学平衡；
B、反应前后气体体积增大，气体压强之比等于气体物质的量之比，气体压强不变，反应达到平衡状态；
C、当有32molC-H键断裂，同时有11molH-H键断裂，说明正逆反应速率相同；
D、依据化学方程式分析，区别焓变和反应放出的热量，焓变是指8mol甲烷完全反应放出或吸收的热量为mkJ；
（4）①根据题给图象知，平衡时氢气的物质的量随温度的升高而增大，则曲线a代表反应物CO₂，曲线b、c表示生成物，又曲线b表示的物质平衡时物质的量大，结合方程式分析，曲线b表示的物质为H₂O，据题给图象知，平衡时氢气的物质的量随温度的升高而增大，平衡逆向移动，该反应的△H＜0；
②温度越高，反应速率越大，反应是放热反应，升温平衡逆向进行，平衡常数减小；
③该反应为气体物质的量减小的放热反应，为提高CO₂的平衡转化率，除改变温度外，还可采取的措施是增大压强或增大n（H₂）/n（CO₂）的比值．

解答 解：（1）①反应2Fe₃O₄$\frac{\underline{\;2300K\;}}{\;}$6FeO+O₂↑中O元素化合价由-2价升高到0价，由方程式可知，2molFe₃O₄参加反应，生成1mol氧气，转移4mol电子，则每分解lmolFe₃O₄转移电子的物质的量为2mol，
故答案为：2mol；
②由示意图可知，重整系统中CO₂和FeO反应生成Fe₃O₄和C，反应的方程式为6FeO+CO₂$\frac{\underline{\;700K\;}}{\;}$2Fe₃O₄+C，故答案为：6FeO+CO₂$\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
根据盖斯定律，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，
故答案为：247.7；
（3）A、催化剂改变反应速率不改变化学平衡，不能提高CH₄的转化率，故A错误；
B、反应前后气体体积增大，气体压强之比等于气体物质的量之比，气体压强不变，说明反应达到平衡状态，故B正确；
C、当有32molC-H键断裂，同时有11molH-H键断裂，说明正逆反应速率相同，反应达到平衡状态，故C正确；
D、依据化学方程式分析，区别焓变和反应放出的热量，焓变是指8mol甲烷完全反应放出或吸收的热量为mkJ，故D错误；
故选BC；
（4）①根据题给图象知，平衡时氢气的物质的量随温度的升高而增大，则曲线a代表反应物CO₂，曲线b、c表示生成物，又曲线b表示的物质平衡时物质的量大，结合方程式分析，曲线Ⅱ表示的物质为H₂O，据题给图象知，平衡时氢气的物质的量随温度的升高而增大，平衡逆向移动，该反应的△H＜0；
故答案为：H₂O；＜；
②温度越高，反应速率越大，B点温度高，所以A、B两点对应的反应的反应速率v（A）＜v（B），依据①分析可知反应是放热反应，升温平衡逆向进行，平衡常数减小，B点温度高平衡常数是小，B、C两点对应温度下反应的平衡常数大小关系为K（B）＜K（C）；
故答案为：v（A）＜v（B）；＜；
③2CO₂（g）+6H₂（g）?C₂H₄（g）+4H₂O（g），该反应为气体物质的量减小的放热反应，为提高CO₂的平衡转化率，除改变温度外，还可采取的措施是增大压强或增大n（H₂）/n（CO₂）的比值；
故答案为：增大压强或增大n（H₂）/n（CO₂）的比值．

点评 本题考查热化学方程式书写方法和盖斯定律的计算应用，化学平衡、平衡常数、反应速率的影响因素分析，图象分析判断是解题关键，题目难度中等．