Question

【題目】碳是自然界中形成化合物種類最多的元素，CO和CO2是碳的最常見氧化物。

（1）研究和解決二氧化碳捕集和轉(zhuǎn)化問題是當(dāng)前科學(xué)研究的前沿領(lǐng)域。在太陽能的作用下，缺鐵氧化物[Fe0.9O]能分解CO2，其過程如圖1所示。過程①的化學(xué)方程式是______。在過程②中每產(chǎn)生0.1molO2，轉(zhuǎn)移電子______mol。

（2）在催化劑作用下，將二氧化碳和氫氣混合反應(yīng)生成甲烷，是目前科學(xué)家們正在探索的處理空氣中的二氧化碳的方法之一。

①已知：

共價(jià)鍵	C=O	H—H	C—H	O—H
鍵能/(kJmol－1)	745	436	413	463

則CO2(g)+4H2(g)CH4(g)+2H2O(g) △H=______kJmol－1。

②向1L固定容積的密閉容器中加入4.0 mol H2(g)、1.0mol CO2，控制條件（催化劑：銠—鎂合金、高溫T1）使之反應(yīng)，若測(cè)得容器內(nèi)氣體的壓強(qiáng)隨著時(shí)間的變化如圖2所示。則4 min時(shí)容器內(nèi)氣體的密度為______；溫度T1 下，該反應(yīng)的化學(xué)平衡常為______。若采用2 L固定容積的密閉容器，投料量、催化劑和反應(yīng)溫度均保持不變，則反應(yīng)重新達(dá)到平衡時(shí)對(duì)應(yīng)體系內(nèi)的壓強(qiáng)的點(diǎn)是______（填字母）。

（3）工業(yè)合成原料氣CO會(huì)與設(shè)備、管道及催化劑表面的金屬鐵、鎳反應(yīng)，生成羰基化合物。四羰基鎳是熱分解法制備高純鎳的原料，也是有機(jī)合成中供給一氧化碳的原料，還可做催化劑。Ni(s)+4CO(g)Ni(CO)4(g) △H＜0 Ni(CO)4(g)Ni(s)+4CO(g)。如圖3所示，在石英真空管的溫度為T1一端，放入少量粗鎳和CO(g)，一段時(shí)間后，在溫度為T2的一端可得到純凈的鎳。則溫度T1______T2（填“＞”“＜”或“＝”），上述反應(yīng)體系中循環(huán)使用的物質(zhì)為______（填化學(xué)式）。

Answer 1

【答案】 10Fe0.9O＋CO23Fe3O4＋C 0.4 －270 52g·L－1 6.75（mol·L－1）－2 D ＜ CO

【解析】分析：（1）根據(jù)反應(yīng)物和生成物書寫化學(xué)方程式；根據(jù)氧元素的化合價(jià)變化計(jì)算；

（2）①根據(jù)ΔH＝反應(yīng)物的化學(xué)鍵斷裂吸收的能量－生成物的化學(xué)鍵形成釋放的能量計(jì)算；

②密度是混合氣體的質(zhì)量和容器容積的比值。根據(jù)4min時(shí)的壓強(qiáng)之比計(jì)算氣體的物質(zhì)的量之比，進(jìn)而計(jì)算平衡常數(shù)；結(jié)合反應(yīng)特點(diǎn)和外界條件對(duì)平衡狀態(tài)的影響分析；

（3）根據(jù)溫度對(duì)平衡狀態(tài)的影響以及參加反應(yīng)的物質(zhì)分析。

詳解：（1）過程①中反應(yīng)物是二氧化碳和Fe0.9O，生成物是碳和四氧化三鐵，則反應(yīng)的化學(xué)方程式是10Fe0.9O＋CO23Fe3O4＋C；在過程②中氧元素化合價(jià)從－2價(jià)升高到0價(jià)，失去2個(gè)電子，則每產(chǎn)生0.1molO2，轉(zhuǎn)移電子0.4mol。

（2）①根據(jù)表中數(shù)據(jù)可知反應(yīng)CO2(g)+4H2(g)CH4(g)+2H2O(g)△H＝（2×745+4×436－4×413－2×2×463）kJmol－1＝－270kJmol－1

②反應(yīng)前后均是氣體，根據(jù)質(zhì)量守恒定律可知4 min時(shí)容器內(nèi)氣體的密度為；4min時(shí)壓強(qiáng)不再發(fā)生變化，反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，則

CO2(g)+4H2(g)CH4(g)+2H2O(g)

起始量（mol） 1 4 0 0

轉(zhuǎn)化量（mol） x 4x x 2x

平衡量（mol） 1－x 4－4x x 2x

壓強(qiáng)之比是物質(zhì)的量之比，則，解得x＝0.75。容器的容積是1L，則溫度T1下，該反應(yīng)的化學(xué)平衡常為。若采用2 L固定容積的密閉容器，投料量、催化劑和反應(yīng)溫度均保持不變，則相當(dāng)于是在原平衡的基礎(chǔ)上減小壓強(qiáng)，平衡向逆反應(yīng)方向進(jìn)行，且反應(yīng)速率減小，到達(dá)平衡的時(shí)間增加，則反應(yīng)重新達(dá)到平衡時(shí)對(duì)應(yīng)體系內(nèi)的壓強(qiáng)的點(diǎn)是D點(diǎn)。

（3）在石英真空管的溫度為T1一端，放入少量粗鎳和CO(g)，一段時(shí)間后，在溫度為T2的一端可得到純凈的鎳。由于生成鎳的反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，升高溫度有利于生成Ni，則溫度T1＜T2；由于CO在左端是反應(yīng)物，而在右端生成鎳的同時(shí)又產(chǎn)生CO，因此上述反應(yīng)體系中循環(huán)使用的物質(zhì)為CO。