Question

5．二氧化碳被認(rèn)為是加劇溫室效應(yīng)的主要物質(zhì)，資源化利用二氧化碳不僅可減少溫室氣體的排放，還可重新獲得燃料或重要工業(yè)產(chǎn)品．
Ⅰ．有科學(xué)家提出可利用FeO吸收和利用CO₂，相關(guān)的熱化學(xué)方程式如下：
6FeO（s）+CO₂（g）═2Fe₃O₄（s）+C（s），△H=-76.0kJ•mol^-1
②3FeO（s）+H₂O（g）═Fe₃O₄（s）+H₂（g）△H=-18.7kJ•mol^-1
（1）在上述反應(yīng)中①中，每吸收1molCO₂，就有4 molFeO被氧化．
（2）試寫出C（s）與水蒸氣反應(yīng)生成CO₂和H₂的熱化學(xué)方程式C（s）+2H₂O（g）=CO₂（g）+2H₂（g）△H=+38.6kJ/mol
Ⅱ．一定條件下，二氧化碳轉(zhuǎn)化為甲烷．向一容積為2L的恒容密閉容器中充人一定量的CO₂和H₂，在300℃時(shí)發(fā)生上述反應(yīng)的反應(yīng)CO₂（g）+4H₂（g）?CH₄（g）+2H₂O（g）．達(dá)到平衡時(shí)，各物質(zhì)的濃度分別為CO₂0.2mol•L^-1、CH₄0.8mol•L^-1、H₂0.8mol•L^-1，H₂O1.6mol•L^-1
（3）在300℃是，將各物質(zhì)按下列起始濃度（mol•L^-1）加入該反應(yīng)容器中，達(dá)到平衡后，各組分濃度與上述題中描述的平衡濃度相同的是A、D．

選項(xiàng)	CO	H2	CH4	H2O
A	0	0	1	2
B	2	8	0	0
C	1	4	1	.2
D	0.5	2	0.5	1

（4）若保持溫度不變，再向該容器內(nèi)充入與起始量相等的CO₂和H₂，重新達(dá)到平衡時(shí)，CH₄的濃度D （填字母）．
A．c（CH₄）=0.8mol•L^-1        B.0.8mol•L^-1＞c（CH₄）＞1.6mol•L^-1
C．c（CH₄）=l.6mol•L^-1      D．C（CH₄）＞1.6mol•L^-1
（5）在300℃時(shí)，如果向該容器中加入CO₂0.8mol•L^-1、H₂1.0mol•L^-1、CH₄ 2.8mol•L^-1、H₂O 2.0mol•L^-1，則該可逆反應(yīng)初始時(shí)叫v_正＞   v_逆 （填“＞”或“＜”）．
（6）若已知200℃時(shí)該反應(yīng)的平衡常數(shù)K=64.8 則該反應(yīng)的△H＜   0（填“＞”或“＜”）．
Ⅲ．某高校的研究人員研究出一種方法，可實(shí)現(xiàn)水泥生產(chǎn)時(shí)CO₂零排放，其基本原理如圖所示
（7）上述電解反應(yīng)在溫度小于900℃時(shí)進(jìn)行，碳酸鈣先分解為CaO和CO₂，電解質(zhì)為熔融合碳酸鈣，陰極的電極反應(yīng)式為3CO₂+4e^-═C+2CO₃^2-，則陽極的電極反應(yīng)式為2CO₃^2--4e^-=2CO₂↑+O₂↑．

Answer 1

分析 I．（1）反應(yīng)①為6FeO（s）+CO₂（g）═2Fe₃O₄（s）+C（s），對(duì)于Fe₃O₄，其化學(xué)組成為Fe₂O₃•FeO，每吸收1molCO₂，有6molFeO參與反應(yīng)，被氧化成2molFe₂O₃，根據(jù)Fe元素守恒，則被氧化的FeO為4mol；
（2）C（s）與水蒸氣反應(yīng)生成CO₂和H₂的化學(xué)方程式為：C（s）+2H₂O（g）=CO₂（g）+2H₂（g），該反應(yīng)可由已知的熱化學(xué)方程式推導(dǎo)，根據(jù)蓋斯定律計(jì)算該反應(yīng)的焓變；
II．（3）反應(yīng)為CO₂（g）+4H₂（g）?CH₄（g）+2H₂O（g），300℃時(shí)發(fā)生反應(yīng)，平衡時(shí)CO₂0.2mol/L、CH₄0.8mol/L、H₂0.8mol/L，H₂O1.6mol/L，可算出起始時(shí)，CO₂有1mol/L，CH₄有4mol/L，反應(yīng)是氣體數(shù)不守恒的反應(yīng)，且在恒溫恒容容器內(nèi)進(jìn)行，則需要按相同物質(zhì)的量充入，可構(gòu)成等效平衡，據(jù)此分析；
（4）反應(yīng)為氣體數(shù)減少的反應(yīng)，加壓有利于平衡正反應(yīng)方向移動(dòng)，若保持溫度不變，再向該容器內(nèi)充入與起始量相等的CO₂和H₂，相當(dāng)于對(duì)原平衡加壓，若平衡不移動(dòng)，則平衡時(shí)，CH₄的濃度是原平衡時(shí)候的兩倍，現(xiàn)在平衡向右移動(dòng)，則CH₄的量要比原平衡時(shí)的兩倍多，據(jù)此分析；
（5）溫度不變，則平衡常數(shù)不變，計(jì)算反應(yīng)的平衡常數(shù)K，根據(jù)反應(yīng)商J與平衡常數(shù)K的大小關(guān)系判斷反應(yīng)進(jìn)行的方向；
（6）若已知200℃時(shí)該反應(yīng)的平衡常數(shù)K=64.8，通過300℃時(shí)的平衡常數(shù)K與之比較，判斷升高溫度對(duì)反應(yīng)趨勢(shì)的影響，據(jù)此判斷反應(yīng)的焓變情況；
（7）電解反應(yīng)在溫度小于900℃時(shí)進(jìn)行，碳酸鈣先分解為CaO和CO₂，電解質(zhì)為熔融合碳酸鈣，電解池陽極的反應(yīng)是物質(zhì)失去電子，發(fā)生氧化反應(yīng)，根據(jù)題意，是產(chǎn)生CO₂的反應(yīng)，根據(jù)元素守恒分析，則是由CO₃^2-產(chǎn)生，據(jù)此寫出電極反應(yīng)．

解答 解：I．（1）反應(yīng)①為6FeO（s）+CO₂（g）═2Fe₃O₄（s）+C（s），對(duì)于Fe₃O₄，其化學(xué)組成為Fe₂O₃•FeO，每吸收1molCO₂，有6molFeO參與反應(yīng)，被氧化成2molFe₂O₃，根據(jù)Fe元素守恒，則被氧化的FeO為4mol，
故答案為：4；
（2）已知：①6FeO（s）+CO₂（g）═2Fe₃O₄（s）+C（s），△H₁=-76.0kJ/mol，
                  ②3FeO（s）+H₂O（g）═Fe₃O₄（s）+H₂（g）△H₂=-18.7kJ/mol，
則C（s）與水蒸氣反應(yīng)生成CO₂和H₂的化學(xué)方程式為：C（s）+2H₂O（g）=CO₂（g）+2H₂（g），該反應(yīng)可由
②×2-①得到，根據(jù)蓋斯定律，該反應(yīng)的焓變?yōu)椤鱄=2△H₂-△H₁=2×（-18.7）-（-76.0）=+38.6kJ/mol，
故答案為：C（s）+2H₂O（g）=CO₂（g）+2H₂（g）△H=+38.6kJ/mol；
II．（3）反應(yīng)為CO₂（g）+4H₂（g）?CH₄（g）+2H₂O（g），300℃時(shí)發(fā)生反應(yīng)，平衡時(shí)CO₂0.2mol/L、CH₄0.8mol/L、H₂0.8mol/L，H₂O1.6mol/L，可算出起始時(shí)，CO₂有1mol/L，CH₄有4mol/L，反應(yīng)是氣體數(shù)不守恒的反應(yīng)，且在恒溫恒容容器內(nèi)進(jìn)行，則需要按相同物質(zhì)的量充入，可構(gòu)成等效平衡，
A．等效平衡為1mol/LCO₂和4mol/LH₂，是與原平衡構(gòu)成等效平衡，達(dá)到平衡后，各組分濃度與上述題中描述的平衡濃度相同，故A可選；
B．相當(dāng)于對(duì)原平衡加壓，加壓會(huì)改變?cè)摲磻?yīng)的平衡，不構(gòu)成等效平衡，達(dá)到平衡后，各組分濃度與上述題中描述的平衡濃度不相同，故B不選；
C．如果僅有反應(yīng)物CO₂1mol/L和H₂4mol/L，則與原平衡等效平衡，這里其實(shí)是與B項(xiàng)構(gòu)成等效平衡，不是與原平衡，故C不選；
D．等效平衡為1mol/LCO₂和4mol/LH₂，是與原平衡構(gòu)成等效平衡，達(dá)到平衡后，各組分濃度與上述題中描述的平衡濃度相同，故D可選，
故選AD；
（4）反應(yīng)為氣體數(shù)減少的反應(yīng)，加壓有利于平衡正反應(yīng)方向移動(dòng)，若保持溫度不變，再向該容器內(nèi)充入與起始量相等的CO₂和H₂，相當(dāng)于對(duì)原平衡加壓，若平衡不移動(dòng)，則平衡時(shí)，CH₄的濃度是原平衡時(shí)候的兩倍，即1.6mol/L，現(xiàn)在平衡向右移動(dòng)，則CH₄的量要比原平衡時(shí)的兩倍多，即平衡時(shí)c（CH₄）＞1.6mol/L，
故選D；
（5）溫度不變，則平衡常數(shù)不變，原平衡時(shí)，各組分濃度分別為CO₂0.2mol/L、CH₄0.8mol/L、H₂0.8mol/L，H₂O1.6mol/L，則反應(yīng)的平衡常數(shù)為K=$\frac{{c}^{2}（{H}_{2}O）c（C{H}_{4}）}{{c}^{4}（{H}_{2}）c（C{O}_{2}）}$=$\frac{（0.8mol/L）×（1.6mol/L）^{2}}{（0.2mol/L）×（0.8mol/L）^{4}}$=25L²/mol²，在300℃時(shí)，如果向該容器中加入CO₂0.8mol/L、H₂1.0mol/L、CH₄ 2.8mol/L、H₂O 2.0mol/L，此時(shí)的反應(yīng)商J=$\frac{（2mol/L）^{2}×（2.8mol/L）}{（1mol/L）^{4}×（0.8mol/L）}$=14L²/mol²，可見反應(yīng)商J＜K，因此平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，即v_正＞v_逆；
故答案為：＞；
（6）若已知200℃時(shí)該反應(yīng)的平衡常數(shù)K=64.8，因此升高溫度，平衡正向的趨勢(shì)減小，反應(yīng)向逆反應(yīng)方向進(jìn)行，則反應(yīng)是放熱的反應(yīng)，焓變△H＜0，故答案為：＜；
（7）電解反應(yīng)在溫度小于900℃時(shí)進(jìn)行，碳酸鈣先分解為CaO和CO₂，電解質(zhì)為熔融合碳酸鈣，電解池陽極的反應(yīng)是物質(zhì)失去電子，發(fā)生氧化反應(yīng)，根據(jù)題意，是產(chǎn)生CO₂的反應(yīng)，根據(jù)元素守恒分析，則是由CO₃^2-產(chǎn)生，則陽極的電極反應(yīng)為：2CO₃^2--4e^-=2CO₂↑+O₂↑，
故答案為：2CO₃^2--4e^-=2CO₂↑+O₂↑．

點(diǎn)評(píng) 本題主要考察化學(xué)原理知識(shí)，包含氧化還原反應(yīng)的計(jì)算，熱化學(xué)方程式的書寫，蓋斯定律的應(yīng)用，等效平衡原理，化學(xué)反應(yīng)方向的判定，化學(xué)平衡常數(shù)的計(jì)算，電化學(xué)知識(shí)，題目涉及的知識(shí)點(diǎn)較多，題目難度中等．