Question

8．CO₂和CH₄是两种重要的温室气体，通过CH₄和CO₂反应制造更高价值化学品是目前的研究目标．
（1）250℃时，以镍合金为催化剂，向4L容器中通入6mol CO₂、6mol CH₄，发生如下反应：CO₂（g）+CH₄（g）?2CO（g）+2H₂（g）．平衡体系中各组分体积分数如表：

物质	CH4	CO2	CO	H2
体积分数	0.1	0.1	0.4	0.4

①此温度下该反应的平衡常数K=64．
②已知：CH₄（g）+2O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-890.3kJ•mol^-1
CO（g）+H₂O （g）═CO₂（g）+H₂ （g）△H=+2.8kJ•mol^-1
2CO（g）+O₂（g）═2CO₂（g）△H=-566.0kJ•mol^-1
反应CO₂（g）+CH₄（g）?2CO（g）+2H₂（g）的△H=+247.3kJ•mol^-1
（2）以二氧化钛表面覆盖Cu₂Al₂O₄为催化剂，可以将CO₂和CH₄直接转化成乙酸．
①在不同温度下催化剂的催化效率与乙酸的生成速率如图1所示．250～300℃时，温度升高而乙酸的生成速率降低的原因是温度超过250℃时，催化剂的催化效率降低．

②为了提高该反应中CH₄的转化率，可以采取的措施是增大反应压强、增大CO₂的浓度．
③将Cu₂Al₂O₄溶解在稀硝酸中的离子方程式为3Cu₂Al₂O₄+32H⁺+2NO₃^-=6Cu²⁺+6Al³⁺+2NO↑+16H₂O．
（3）Li₂O、Na₂O、MgO均能吸收CO₂．①如果寻找吸收CO₂的其他物质，下列建议合理的是ab．
a．可在碱性氧化物中寻找
b．可在ⅠA、ⅡA族元素形成的氧化物中寻找
c．可在具有强氧化性的物质中寻找
②Li₂O吸收CO₂后，产物用于合成Li₄SiO₄，Li₄SiO₄用于吸收、释放CO₂．原理是：在500℃，CO₂与Li₄SiO₄接触后生成Li₂CO₃；平衡后加热至700℃，反应逆向进行，放出CO₂，Li₄SiO₄再生，说明该原理的化学方程式是CO₂+Li₄SiO₄$?_{700℃}^{500℃}$Li₂CO₃+Li₂SiO₃．
（4）利用反应A可将释放的CO₂转化为具有工业利用价值的产品．
反应A：CO₂+H₂O$\frac{\underline{\;电解\;}}{高温}$CO+H₂+O₂
高温电解技术能高效实现（3）中反应A，工作原理示意图如图2：CO₂在电极a放电的反应式是CO₂+2e^-═CO+O^2-．

Answer 1

分析 （1）①设反应了CO₂x，列三段式，根据体积分数计算x，代入化学平衡常数计算；
②已知：ⅠCH₄（g）+2O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-890.3kJ•mol^-1
ⅡCO（g）+H₂O （g）═CO₂（g）+H₂ （g）△H=+2.8kJ•mol^-1
Ⅲ2CO（g）+O₂（g）═2CO₂（g）△H=-566.0kJ•mol^-1
由盖斯定律Ⅰ+Ⅱ×2-Ⅲ×2可得CO₂（g）+CH₄（g）?2CO（g）+2H₂（g），据此计算；
（2）①根据温度对催化剂活性的影响；
②根据外界条件对化学平衡的影响，平衡正向移动，反应物转化率增大；
③先将Cu₂Al₂O₄拆成氧化物的形式：Cu₂O•Al₂O₃，再根据氧化物与酸反应生成离子方程式，需要注意的是一价铜具有还原性；
（3）①二氧化碳为酸性气体，Li₂O、Na₂O、MgO均能吸收CO₂与氧化性无关；
②根据题干信息，反应物为CO₂与Li₄SiO₄，生成物有Li₂CO₃，根据质量守恒进行解答；
（4）二氧化碳、水分别在a极得到电子发生还原反应生成一氧化碳、氢气，同时生成氧离子．

解答 解：（1）①250℃时，以镍合金为催化剂，向4L容器中通入6mol CO₂、6mol CH₄，反应了CO₂x：
   CO₂（g）+CH₄（g）?2CO（g）+2H₂（g）
n始：6           6                0                0
n转：x            x               2x               2x
n平：6-x         6-x            2x               2x
由CO₂的体积分数为0.1，则$\frac{6-x}{6-x+6-x+2x+2x}$=0.1，解得x=4，则K=$\frac{（8mol÷4L）^{4}}{（2mol÷4L）^{2}}$=64；
故答案为：64；
②已知：ⅠCH₄（g）+2O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-890.3kJ•mol^-1
ⅡCO（g）+H₂O （g）═CO₂（g）+H₂ （g）△H=+2.8kJ•mol^-1
Ⅲ2CO（g）+O₂（g）═2CO₂（g）△H=-566.0kJ•mol^-1
由盖斯定律Ⅰ+Ⅱ×2-Ⅲ×2可得CO₂（g）+CH₄（g）?2CO（g）+2H₂（g）△H=-890.3kJ•mol^-1+2.8kJ•mol^-1×2+566.0kJ•mol^-1×2=+247.3 kJ•mol^-1；
故答案为：+247.3 kJ•mol^-1；
（2）①温度超过250℃时，催化剂的催化效率降低，所以温度升高而乙酸的生成速率降低；
故答案：温度超过250℃时，催化剂的催化效率降低；
②增大反应压强、增大CO₂的浓度，平衡正向移动，反应物转化率增大；
故答案为：增大反应压强、增大CO₂的浓度；
③Cu₂Al₂O₄拆成氧化物的形式：Cu₂O•Al₂O₃，与酸反应生成离子方程式：3Cu₂Al₂O₄+32H⁺+2NO₃^-=6Cu²⁺+6Al³⁺+2NO↑+16H₂O；
故答案为：3Cu₂Al₂O₄+32H⁺+2NO₃^-=6Cu²⁺+6Al³⁺+2NO↑+16H₂O；
（3）①a．Li₂O、Na₂O、MgO均属于碱性氧化物，均能吸收酸性氧化物CO₂，可在碱性氧化物中寻找吸收CO₂的其他物质，故a正确；
b．Li₂O、Na₂O、MgO均能吸收CO₂，钠、镁、铝为ⅠA、ⅡA族元素，所以可在ⅠA、ⅡA族元素形成的氧化物中寻找吸收CO₂的其他物质，故b正确；
c．Li₂O、Na₂O、MgO均能吸收CO₂，但它们都没有强氧化性，且吸收二氧化碳与氧化还原无关，故c错误；
故答案为：ab；
②在500℃，CO₂与Li₄SiO₄接触后生成Li₂CO₃，反应物为CO₂与Li₄SiO₄，生成物有Li₂CO₃，根据质量守恒可知产物还有Li₂SiO₃，所以化学方程式为：CO₂+Li₄SiO₄$?_{700℃}^{500℃}$ Li₂CO₃+Li₂SiO₃；
故答案为：CO₂+Li₄SiO₄$?_{700℃}^{500℃}$ Li₂CO₃+Li₂SiO₃；
（4）二氧化碳在a极得到电子发生还原反应生成一氧化碳同时生成氧离子，反应电极反应式为：CO₂+2e^-═CO+O^2-；
故答案为：CO₂+2e^-═CO+O^2-．

点评 本题考查了综合利用CO₂，涉及盖斯定律以及化学反应常数、化学平衡以及原电池原理的运用，难度中等，掌握基础，分析题目信息，根据所学知识即可完成．