Question

5．CO₂和CH₄是两种重要的温室气体，通过CH₄和CO₂反应制造更高价值产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6molCO₂、6molCH₄，发生反应：CO₂（g）+CH₄（g）?2CO（g）+2H₂（g）．平衡体系中各组分物质的量如表：

物质	CH4	CO2	CO	H2
物质的量mol	2	2	8	8

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=+247.3 kJ•mol^-1．
（2）以二氧化钛表面覆盖Cu₂Al₂O₄为催化剂．可以将CO₂和CH₄直接转化为成乙酸．
①在不同温度下催化剂的催化效果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，可以采取的措施是缩小体积增大压强或增大CO₂的浓度．
（3）①Li₂O、Na₂O、MgO均能吸收CO₂．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用于吸收、释放CO₂．原理是：在500℃，CO₂与Li₄SiO₄接触后生成Li₂CO₃和另一种盐；平衡后加热至700℃，反应逆向进行放出CO₂，Li₄SiO₄再生，写出CO₂和Li₄SiO₄反应的化学方程式CO₂+Li₄SiO₄$\frac{\underline{\;500℃\;}}{\;}$Li₂CO₃+Li₂SiO₃．

（4）反应A：CO₂+H₂O$\frac{\underline{\;电解\;}}{高温}$CO₂+H₂+O₂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．高温电解技术能高效实现反应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根据c=$\frac{n}{V}$计算各物质的平衡浓度，代入平衡常数K=$\frac{{c}^{2}（CO）×{c}^{2}（{H}_{2}）}{c（C{O}_{2}）×c（C{H}_{4}）}$计算；
②根据盖斯定律，已知热化学方程式乘以适当的系数进行加减构造目标热化学方程式，反应热也进行相应的计算；
（2）①由图可知，该催化剂在250℃左右时催化剂效率最高；
②提高该反应中CH₄的转化率，改变条件应使平衡向正反应方向移动，注意不能只增大甲烷的浓度，否则甲烷的转化率降低；
（3）①二氧化碳为酸性气体，Li₂O、Na₂O、MgO均能吸收CO₂，表现为碱性氧化物的性质，与氧化性无关；
②在500℃，CO₂与Li₄SiO₄接触后生成Li₂CO₃和另一种盐，该盐为Li₂SiO₃；
（4）由图可知，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）①平衡时CH₄、CO₂的浓度均为$\frac{2mol}{4L}$=0.5mol/L，CO、H₂的浓度均为$\frac{8mol}{4L}$=2mol/L，故平衡常数K=$\frac{{c}^{2}（CO）×{c}^{2}（{H}_{2}）}{c（C{O}_{2}）×c（C{H}_{4}）}$=$\frac{{2}^{2}×{2}^{2}}{0.5×0.5}$=64，故答案为：64；
②已知：CH₄（g）+2O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-890.3kJ•mol^-1 ①
      CO（g）+H₂O （g）=CO₂（g）+H₂ （g）△H=+2.8kJ•mol^-1 ②
      2CO（g）+O₂（g）=2CO₂（g）△H=-566.0kJ•mol^-1 ③
根据盖斯定律，由①+②×2-③×2得：CO₂（g）+CH₄（g）?2CO（g）+2H₂（g）故△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由图可知，该催化剂在250℃左右时催化剂效率最高，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提高该反应中CH₄的转化率，改变条件应使平衡向正反应方向移动，正反应是气体体积减小的反应，缩小容器体积增大压强、增大CO₂的浓度，平衡正向移动，反应物转化率增大，
故答案为：缩小体积增大压强或增大CO₂的浓度；
（3）①二氧化碳为酸性气体，Li₂O、Na₂O、MgO均能吸收CO₂，表现为碱性氧化物的性质，与氧化性无关，IA、ⅡA族元素可以碱性氧化物，故选：ab；
②在500℃，CO₂与Li₄SiO₄接触后生成Li₂CO₃和另一种盐，根据质量守恒可知产物还有Li₂SiO₃，CO₂和Li₄SiO₄反应的化学方程式为：CO₂+Li₄SiO₄$\frac{\underline{\;500℃\;}}{\;}$Li₂CO₃+Li₂SiO₃，故答案为：CO₂+Li₄SiO₄$\frac{\underline{\;500℃\;}}{\;}$Li₂CO₃+Li₂SiO₃；
（4）由图可知，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，CO₂在电极a放电的反应式是：CO₂+2e^-═CO+O^2-，故答案为：CO₂+2e^-═CO+O^2-．

点评 本题属于拼合型题目，题目比较综合，涉及平衡常数计算、反应热计算、反应速率影响因素、化学平衡移动、原电池等，是对学生综合能力的考查，（4）中电极反应式书写，注意根据图示判断反应产物．