Question

13．研究CO₂的利用對(duì)促進(jìn)低碳社會(huì)的構(gòu)建具有重要意義．
（1）將CO₂與焦炭作用生成CO，CO可用于煉鐵等．
已知：Fe₂O₃（s）+3C（石墨）═2Fe（s）+3CO（g）△H₁=+489.0kJ•mol^-1；
C（石墨）+CO₂（g）═2CO（g）△H₂=+172.5kJ•mol^-1．
則CO還原Fe₂O₃（s）的熱化學(xué)方程式為Fe₂O₃（s）+3CO（g）=2Fe（s）+3CO₂（g）△H=-28.5 kJ•mol^-1
（2）二氧化碳合成甲醇是碳減排的新方向，將CO₂轉(zhuǎn)化為甲醇的熱化學(xué)方程式為
CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H
①該反應(yīng)的平衡常數(shù)表達(dá)式為K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）•c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）•{c}^{3}（{H}_{2}）}$．
②取一定體積的CO₂和H₂的混合氣體（物質(zhì)的量之比為1：3），加入恒容密閉容器中，發(fā)生上述反應(yīng)．反應(yīng)過(guò)程中測(cè)得甲醇的體積分?jǐn)?shù)φ（CH₃OH）與反應(yīng)溫度T的關(guān)系如圖（a）所示，則該反應(yīng)的△H＜0（填“＞”“＜”或“=”）．

③在兩種不同條件下發(fā)生反應(yīng)，測(cè)得CH₃OH的物質(zhì)的量隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖（b）所示，曲線Ⅰ、Ⅱ?qū)��?yīng)的平衡常數(shù)大小關(guān)系為K_I＞K_Ⅱ（填“＞”“＜”或“=”）．
（3）以CO₂為原料還可以合成多種物質(zhì)．
①工業(yè)上尿素[CO（NH₂）₂]由CO₂和NH₃在一定條件下合成，其反應(yīng)方程式為：
2NH₃+CO₂?CO（NH₂）₂+H₂O 當(dāng)氨碳比$\frac{n（NH3）}{n（CO2）}$=3，達(dá)平衡時(shí)CO₂的轉(zhuǎn)化率為60%，則NH₃的平衡轉(zhuǎn)化率為40%．
②用硫酸溶液作電解質(zhì)進(jìn)行電解，CO₂在電極上可轉(zhuǎn)化為甲烷，該電極反應(yīng)的方程式為CO₂+8e^-+8H⁺=CH₄+2H₂O．

Answer 1

分析 （1）依據(jù)熱化學(xué)方程式和蓋斯定律計(jì)算得到所需熱化學(xué)方程式；
（2）①依據(jù)化學(xué)方程式和平衡常數(shù)概念寫出平衡常數(shù)表達(dá)式；
②由圖可知最高點(diǎn)反應(yīng)到達(dá)平衡，到達(dá)平衡后，溫度越高，φ（CH₃OH）越小，升高溫度平衡向逆反應(yīng)進(jìn)行，據(jù)此判斷；
③由圖象分析先拐先平，溫度高T_Ⅱ先達(dá)到平衡則T_Ⅱ＞T_Ⅰ，縱軸是甲醇的物質(zhì)的量，溫度越高，甲醇越少，平衡逆向進(jìn)行分析判斷；
（3）①根據(jù)反應(yīng)物、反應(yīng)條件、生成物寫出化學(xué)反應(yīng)式；利用三段式法計(jì)算；
②根據(jù)原電池原理，CO₂在正極發(fā)生還原反應(yīng)轉(zhuǎn)化為甲烷，注意電解質(zhì)溶液為酸性．

解答 解：（1）①Fe₂O₃（s）+3C（石墨）=2Fe（s）+3CO（g）△H₁=+489.0kJ•mol^-1
②C（石墨）+CO₂（g）=2CO（g）△H₂=+172.5kJ•mol^-1
依據(jù)蓋斯定律①-②×3得到Fe₂O₃（s）+3CO（g）=2Fe（s）+3CO₂（g）△H=-28.5 kJ•mol^-1；
故答案為：Fe₂O₃（s）+3CO（g）=2Fe（s）+3CO₂（g）△H=-28.5 kJ•mol^-1；
（2）①平衡常數(shù)等于生成物的濃度冪之積除以反應(yīng)物的濃度冪之積，所以K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）•c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）•{c}^{3}（{H}_{2}）}$，故答案為：$\frac{c（C{H}_{3}OH）•c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）•{c}^{3}（{H}_{2}）}$；
②由圖可知最高點(diǎn)反應(yīng)到達(dá)平衡，達(dá)平衡后，溫度越高，φ（CH₃OH）越小，平衡向逆反應(yīng)進(jìn)行，升高溫度平衡吸熱方向進(jìn)行，逆反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，則正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，即△H＜0，
故答案為：＜；
③由圖2可知，溫度T_Ⅰ＜T_Ⅱ，平衡時(shí)，溫度越高CO的轉(zhuǎn)化率越小，說(shuō)明升高溫度，平衡向逆反應(yīng)移動(dòng)，升高溫度平衡向吸熱反應(yīng)移動(dòng)，故該反應(yīng)正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，則△H＜0，升高溫度，平衡向逆反應(yīng)移動(dòng)，所以K_Ⅰ＞K_Ⅱ，
故答案為：＞；
（3）①根據(jù)反應(yīng)物是二氧化碳和氨氣（NH₃），反應(yīng)條件是高溫、高壓，生成物是尿素[CO（NH₂）₂]和水，化學(xué)反應(yīng)式為2NH₃+CO₂ ?CO（NH₂）₂+H₂O，
設(shè)CO₂的初始物質(zhì)的量為a，則NH₃的初始物質(zhì)的量為3a，
         2NH₃+CO₂?CO（NH₂）₂+H₂O；
起始/mol 3a    a
轉(zhuǎn)化/mol 1.2a  0.6a
平衡/mol 1.8a  0.4a
平衡時(shí)NH₃轉(zhuǎn)化率為：$\frac{1.2a}{3a}$×100%=40%，
故答案為：40%；
②CO₂在正極發(fā)生還原反應(yīng)轉(zhuǎn)化為甲烷，考慮電解質(zhì)為硫酸，所以甲烷中氫來(lái)源為硫酸電離的氫離子，根據(jù)化合價(jià)變化可知1mol二氧化碳變成甲烷得到8mol電子，故電極反應(yīng)為：CO₂+8e^-+8H⁺=CH₄+2H₂O，故答案為：CO₂+8e^-+8H⁺=CH₄+2H₂O．

點(diǎn)評(píng) 本題考查了熱化學(xué)方程式的書(shū)寫、化學(xué)平衡移動(dòng)、平衡常數(shù)概念理解、轉(zhuǎn)化率的計(jì)算及原電池原理的分析應(yīng)用等，題目涉及的知識(shí)點(diǎn)較多，綜合性較強(qiáng)，難度中等．分析圖象時(shí)，要考慮先拐先平衡的原則，則反應(yīng)條件為溫度高或壓強(qiáng)大，寫電極反應(yīng)式一定要考慮介質(zhì)的參與．