Question

【题目】以氧化铝为原料，通过碳热还原法可合成氮化铝（AlN）；通过电解法可制取铝．电解铝时阳极产生的CO2可通过二氧化碳甲烷化再利用． 请回答：
（1）已知：2Al2O3（s）═4Al（g）+3O2（g）△H1=3351KJmol﹣12C（s）+O2（g）═2CO（g）△H2=﹣221KJmol﹣1
2Al（g）+N2（g）═2AlN（s）△H3=﹣318KJmol﹣1
碳热还原Al2O3合成AlN的总热化学方程式是 ， 该反应自发进行的条件 ．
（2）在常压、Ru/TiO2催化下，CO2和H2混和气体（体积比1：4，总物质的量a mol）进行反应，测得CO2转化率、CH4和CO选择性随温度变化情况分别如图1和图2所示（选择性：转化的CO2中生成CH4或CO的百分比）． 反应ⅠCO2（g）+4H2（g）CH4（g）+2H2O（g）△H4
反应ⅡCO2（g）+H2（g）CO（g）+H2O（g）△H5

①下列说法不正确的是
A．△H4小于零
B．温度可影响产物的选择性
C．CO2平衡转化率随温度升高先增大后减少
D．其他条件不变，将CO2和H2的初始体积比改变为1：3，可提高CO2平衡转化率
②350℃时，反应Ⅰ在t1时刻达到平衡，平衡时容器体积为VL该温度下反应Ⅰ的平衡常数为（用a、V表示）
③350℃下CH4物质的量随时间的变化曲线如图3所示．画出400℃下0～t1时刻CH4物质的量随时间的变化曲线．

（3）据文献报道，CO2可以在碱性水溶液中电解生成甲烷，生成甲烷的电极反应式是 ．

Answer 1

【答案】
（1）3C（s）+Al2O3（s）+N2（g）=2AlN（s）+3CO（g）△H=+2052KJ/mol/L；高温
（2）CD；；
（3）CO2+6H2O+8e﹣═CH4+8OH﹣
【解析】解：（1）①2Al2O3（s）═4Al（g）+3O2（g）△H1=3351KJmol﹣1②2C（s）+O2（g）═2CO（g）△H2=﹣221KJmol﹣1
③2Al（g）+N2（g）═2AlN（s）△H3=﹣318KJmol﹣1
盖斯定律计算，（①+②×3+③×2）× 得到，
碳热还原Al2O3合成AlN的总热化学方程式：3C（s）+Al2O3（s）+N2（g）=2AlN（s）+3CO（g）△H=+2052KJ/mol/L，反应△S＞0，△H＞0，则满足△H﹣T△S＜0，反应自发进行的条件是高温条件下，
所以答案是：3C（s）+Al2O3（s）+N2（g）=2AlN（s）+3CO（g）△H=+2052KJ/mol/L；高温；（2）①A．图象中，二氧化碳先增大是反应正向进行，到一定温度达到平衡状态，升温平衡逆向进行，二氧化碳转化率随温度升高减小，平衡说明正反应为放热反应，△H4小于零，故A正确；
B．图象2分析可知，图象变化趋势随温度升高到400°C以上，CH4和CO选择性受温度影响甲烷减小，一氧化碳增大，温度可影响产物的选择性，故B正确；
C．二氧化碳转化率先增大是反应正向进行未达到平衡状态，达到平衡状态，随温度升高二氧化碳转化率减小，故C错误；
D．CO2和H2混和气体（体积比1：4，总物质的量a mol）进行反应，将CO2和H2的初始体积比改变为1：3，二氧化碳转化率减小，故D错误；
所以答案是：CD；
②在常压、Ru/TiO2催化下，CO2和H2混和气体（体积比1：4，总物质的量a mol）进行反应，350℃时，反应Ⅰ在t1时刻达到平衡，平衡时容器体积为VL，二氧化碳转化率为80%

	CO2（g）+	4H2（g）	CH4（g）+	2H2O（g）
起始量（mol）	0.2a	0.8a	0	0
变化量（mol）	0.16a	0.64a	0.16a	0.32a
平衡量（mol）	0.04a	0.16a	0.16a	0.32a

平衡常数K= = ，
所以答案是： ；
③反应为放热反应，升温平衡逆向进行，二氧化碳转化率减小，图中分析可知接近72.5%，甲烷物质的量减小小于350°C时甲烷物质的量，达到平衡所需要时间缩短

	CO2（g）+	4H2（g）	CH4（g）+	2H2O（g）
起始量（mol）	0.2a	0.8a	0	0
变化量（mol）	0.145a	0.58a	0.145a	0.29a
平衡量（mol）	0.055a	0.22a	0.145a	0.29a

画出图象，达到平衡状态甲烷 0.145a mol，升温加快反应速率，达到平衡所需时间缩短，得到图象为 ，
所以答案是： ；（3）CO2可以在碱性水溶液中电解生成甲烷，结合电荷守恒和原子守恒，用氢氧根离子浓度配平电荷守恒得到电极反应为：CO2+6H2O+8e﹣═CH4+8OH﹣ ，
所以答案是：CO2+6H2O+8e﹣═CH4+8OH﹣ ．