Question

14．CO₂ 和CH₄ 是两种主要的温室气体，以CH₄ 和CO₂ 为原料太阳能制造更高价值的化学产品是目前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\;}}{\;}$6FeO+O₂↑，则每分解1mol Fe₃O₄转移电子的物质的量为
2mol②“重整系统”发生反应的化学方程式为6FeO+CO₂$\frac{700℃}{\;}$2Fe₃O₄+C
（2）一定条件下，CO₂和CH₄反应可生产合成气（CO、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）△H₁=-802.3kJ•mol^-1
CO（g）+H₂O（g）═CO₂（g）+H₂（g）△H₂=-41.0kJ•mol^-1
2CO（g）+O₂（g）═2CO₂（g）△H₃=-566.0kJ•mol^-1
反应CO₂（g）+CH₄（g）?2CO（g）+2H₂（g）的△H=+247.7kJ•mol^-1
（3）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的投料比将反应物充入反应器中，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 的平衡转化率，除改变温度外，还可采取的措施是举1种）．

Answer 1

分析 （1）①分析方程式：2Fe₃O₄$\frac{\underline{\;2300K\;}}{\;}$6FeO+O₂↑中元素化合价的变化，结合方程式进行计算；
②由示意图可知，重整系统中CO₂和FeO反应生成Fe₃O₄和C；
（2）依据热化学方程式和盖斯定律，①+②×2-③×2得目标方程式，据此计算反应焓变；
（3）①根据题给图象知，平衡时氢气的物质的量随温度的升高而增大，则曲线a代表反应物CO₂，曲线b、c表示生成物，又曲线b表示的物质平衡时物质的量大，结合方程式分析，曲线b表示的物质为H₂O；
依据所给图象可知，平衡时氢气的物质的量随温度的升高而增大，平衡逆向移动，据此判断反应焓变；
②依据温度对反应速率、化学平衡常数影响解答；
③该反应为气体物质的量减小的放热反应，为提高CO₂的平衡转化率，除改变温度外，还可采取的措施是增大压强或增大$\frac{n（{H}_{2}）}{n（C{O}_{2）}}$的比值．

解答 解：（1）①2Fe₃O₄$\frac{\underline{\;2300K\;}}{\;}$6FeO+O₂↑中O元素化合价由-2价升高到0价，生成1mol氧气，转移4mol电子，消耗2molFe₃O₄，所以分解1mol Fe₃O₄转移电子的物质的量为2mol；
故答案为：2mol；
②由示意图可知，重整系统中CO₂和FeO反应生成Fe₃O₄和C，发生反应的化学方程式：6FeO+CO₂$\frac{700℃}{\;}$2Fe₃O₄+C；
故答案为：6FeO+CO₂$\frac{700℃}{\;}$2Fe₃O₄+C；
（2））①CH₄（g）+2O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（g）△H₂=-802.3kJ•mol^-1
②CO（g）+H₂O（g）=CO₂（g）+H₂（g）△H₂=-41.0kJ•mol^-1
③2CO（g）+O₂（g）=2CO₂（g）△H₂=-566.0kJ•mol^-1；
依据盖斯定律：①+②×2-③×2得：CO₂（g）+CH₄（g）?2CO（g）+2H₂（g）
则反应焓变：△H=[-802.3-2×41.0-（-566）×2]kJ•mol^-1=+247.7KJ/mol，
故答案为：+247.7；
（3）①随着温度升高，氢气的物质的量逐渐增多，因氢气为反应物，则另一条逐渐增多的曲线为CO₂，由计量数关系可知b为水，c为C₂H₄的变化曲线；
由曲线变化可知随着温度升高，氢气的物质的量逐渐增多，说明升高温度平衡逆向移动，则正反应放热，故故答案为：H₂O；＜；
②升高温度反应速率加快，从图中可知：B点温度高于A点，所以v（A）＜v（B）；
由①可知该反应为放热反应，升高温度则平衡常数变小，从图中可知B点温度高于C点，所以C点平衡常数大；
故答案为：v（A）＜v（B）；＜；
③该反应为气体物质的量减小的放热反应，为提高CO₂的平衡转化率，除改变温度外，还可采取的措施是增大压强或增大$\frac{n（{H}_{2}）}{n（C{O}_{2）}}$的比值；
故答案为：增大压强或增大$\frac{n（{H}_{2}）}{n（C{O}_{2）}}$的比值；

点评 本题为综合题，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，明确化学平衡相关规律、清楚图象含义是解题关键，题目难度中等．