Question

19．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下表：

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?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先利用三段法求出各物质的物质的量，然后再根据平衡常数等于生成物的浓度幂之积除以反应物的浓度幂之积；
②根据盖斯定律来解答；
（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）①CO₂（g）+CH₄（g）?2CO（g）+2H₂（g）．
起始（mol）   6         6        0       0
反应（mol）   X         X        2X      2X
平衡（mol）  6-X      6-X        2X      2X
由CH₄的体积分数为0.1，则$\frac{6-X}{12+2X}$=0.1，解得X=4，所以①K=$\frac{{c}^{2}（CO）×{c}^{2}（{H}_{2}）}{c（C{O}_{2}）×c（C{H}_{4}）}$=$\frac{{2}^{2}{×2}^{2}}{0.5×0.5}$=64，
故答案为：64；    
②CH₄（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）△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?Li₂CO₃+Li₂SiO₃，故答案为：CO₂+Li₄SiO₄?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 本题主要考查了综合利用CO₂，涉及热化学反应、电化学、化学平衡影响因素等，较为综合，题目难度中等．