Question

7．一定条件下合成乙烯：6H₂（g）+2CO₂（g）$\stackrel{催化剂}{?}$CH₂=CH₂（g）+4H₂O（g）△H₁
已知：2H₂（g）+O₂（g）=2H₂O（g）△H₂=-480kJ•mol^-1
CH₂=CH₂（g）+3O₂（g）=2CO₂（g）+2H₂O（g）△H₃=-1400kJ•mol^-1

（1）△H₁=-40kJ•mol^-1．请标出该反应电子转移的方向和数目．
（2）温度对CO₂的平衡转化率和催化剂催化效率的影响如图1，下列说法正确的是AB．
A．生成乙烯的速率：v（M）有可能小于v（N）
B．平衡常数：K_M＞K_N
C．催化剂会影响CO₂的平衡转化率
（3）若投料比n（H₂）：n（CO₂）=3：1，则图中M点时，乙烯的体积分数为7.7%（保留两位有效数字）．
（4）为提高CO₂的平衡转化率，除改变温度外，还可采取的措施有增大压强，或提高氢气和二氧化碳物质的量的比值，或将产物乙烯气体分离出来等．（任写一条）
（5）电解法可制取乙烯（图2），电极a接电源的负极极，该电极反应式为2CO₂+12H⁺+12e^-→CH₂=CH₂+4H₂O．

Answer 1

分析 （1）已知：①6H₂（g）+2CO₂（g）$\stackrel{催化剂}{?}$CH₂=CH₂（g）+4H₂O（g）△H₁
②2H₂（g）+O₂（g）=2H₂O（g）△H₂=-480kJ•mol^-1
③CH₂=CH₂（g）+3O₂（g）=2CO₂（g）+2H₂O（g）△H₃=-1400kJ•mol^-1
根据盖斯定律：②×3-③=①，则焓变△H₁=3△H₂-△H₃；
该反应中氢元素化合价由0价变为+1价，该反应中转移电子数=12×（1-0）=12，用单线桥表示时，在反应物中由化合价升高的元素指向化合价降低的元素，在线桥上注明转移电子数目即可；
（2）A．生成乙烯的速率既受温度影响，也受催化剂影响；
B．根据（1）中的计算可知，该反应为放热反应还是吸热反应，若为放热反应，则升温平衡逆向移动，平衡常数减小，反之增大；
C．催化剂不影响平衡移动；
（3）若投料比n（H₂）：n（CO₂）=3：1，设H₂为3mol、CO₂为1mol，M点时CO₂的转化率为50%，则转化的二氧化碳为0.5mol，计算出平衡时各组分的物质的量，乙烯的体积分数=$\frac{乙烯物质的量}{混合气体总物质的量}$×100%；
（4）为提高CO₂的平衡转化率，应改变条件使平衡正向移动，除改变温度外，还可采取的措施是增大压强，或提高氢气和二氧化碳物质的量的比值，或将产物乙烯气体分离出来等；
（5）由图可知，a电极通入二氧化碳，生成乙烯，发生还原反应，则a为阴极，二氧化碳获得电子，与通过质子交换膜的氢离子反应生成乙烯与水．

解答 解：（1）①6H₂（g）+2CO₂（g）$\stackrel{催化剂}{?}$CH₂=CH₂（g）+4H₂O（g）△H₁
②2H₂（g）+O₂（g）=2H₂O（g）△H₂=-480kJ•mol^-1
③CH₂=CH₂（g）+3O₂（g）=2CO₂（g）+2H₂O（g）△H₃=-1400kJ•mol^-1
根据盖斯定律：②×3-③=①，则△H₁=3△H₂-△H₃=-40 kJ•mol^-1；
该反应中氢元素化合价由0价变为+1价，该反应中转移电子数=12×（1-0）=12，所以其转移电子的方向和数目为；
故答案为：-40 kJ•mol^-1；；
（2）A．生成乙烯的速率既受温度影响，也受催化剂影响，M点催化剂催化效率高但温度低，尽管N点催化剂催化效率低但温度高，所以v（M）有可能小于v（N），故A正确；
B．由于该反应是放热反应，升温平衡逆向移动，则平衡常数：K_M＞K_N，故B正确；
C．催化剂可以缩短到达平衡的时间，但不影响平衡移动，所以不会影响CO₂的平衡转化率，故C错误，
故选：AB；
（3）若投料比n（H₂）：n（CO₂）=3：1，设H₂为3mol、CO₂为1mol，M点时CO₂的转化率为50%，则转化的二氧化碳为0.5mol，则：
            6H₂（g）+2CO₂（g）$\stackrel{催化剂}{?}$CH₂=CH₂（g）+4H₂O（g）
起始（mol）：3        1              0          0
变化（mol）：1.5      0.5            0.25       1
平衡（mol）：1.5      0.5            0.25       1
乙烯的体积分数=$\frac{0.25mol}{（1.5+0.5+0.25+1）mol}$×100%=7.7%，
故答案为：7.7%；
（4）为提高CO₂的平衡转化率，应改变条件使平衡正向移动，除改变温度外，还可采取的措施是增大压强，或提高氢气和二氧化碳物质的量的比值，或将产物乙烯气体分离出来等，
故答案为：增大压强，或提高氢气和二氧化碳物质的量的比值，或将产物乙烯气体分离出来等；
（5）由图可知，a电极通入二氧化碳，生成乙烯，发生还原反应，则a为阴极，连接电源的负极，二氧化碳获得电子，与通过质子交换膜的氢离子反应生成乙烯与水，电极反应式为：2CO₂+12H⁺+12e^-→CH₂=CH₂+4H₂O，
故答案为：负极；2CO₂+12H⁺+12e^-→CH₂=CH₂+4H₂O．

点评 本题考查反应热计算、氧化还原反应、化学平衡计算与影响因素、电解原理等，综合性强，需要学生具备扎实的基础与灵活运用的能力，难度中等．