Question

3．對溫室氣體二氧化碳的研究一直是科技界關(guān)注的重點．
I．在催化劑存在下用H₂還原CO₂是解決溫室效應(yīng)的重要手段之一，相關(guān)反應(yīng)如下：主反應(yīng)：CO₂（g）+4H₂（g）=CH₄（g）+2H₂O（g）△H₁ ①
副反應(yīng)：CO₂（g）+H₂（g）=CO（g）+H₂O（g）△H₂=+41.2kJ/mol
已知H₂和CH₄的燃燒熱分別為-285.5kJ•mol^-1和-890.0kJ•mol^-1
H₂O（l）=H₂O（g）△H₃=+44kJ•mol^-1
（1）△H₁=-164kJ•mol^-1．
（2）有利于提高CH₄平衡產(chǎn)率的反應(yīng)條件是（至少寫兩條）降低溫度，增大壓強．工業(yè)上提高甲烷反應(yīng)透擇性的關(guān)鍵因素是催化劑．
（ 3 ） T℃時，若在體積恒為2L的密閉容器中同時發(fā)生上述反應(yīng)，將物質(zhì)的量之和為5mol的H₂和CO₂以不同的投料比進行反應(yīng)，結(jié)果如用所示．若a、b表示反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率，則表示H₂轉(zhuǎn)化率的是b，c、d分別表示CH₄（g）和CO（g）的體積分數(shù)，由圖1可知$\frac{n（{H}_{2}）}{n（C{O}_{2}）}$=4時，甲烷產(chǎn)率最高．若該條件下CO的產(chǎn)率趨于0，則T℃時①的平衡常數(shù)K=100．

II．溶于海水的CO₂95%以HCO₃^-形式存在．在海洋中，通過如圖2鈣化作用實現(xiàn)碳自凈．
（4）寫出寫出鈣化作用的離子方程式2HCO₃^-+Ca²⁺=CaCO₃↓+CO₂↑+H₂O．
（5）如圖3，電解完成后，a室的pH值幾乎不變（“變大”、“變小”或“幾乎不變”）；其間b室發(fā)生反應(yīng)的離子方程式為H⁺+HCO₃^-=CO₂↑+H₂O．

Answer 1

分析 （1）已知：H₂和CH₄的燃燒熱分別為-285.5kJ•mol^-1和-890.0kJ•mol^-1，可知熱化學方程式
a．H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=H₂O（1）△H=-285.5kJ•mol^-1，
b．CH₄（g）+2O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（1）△H=-890.0kJ•mol^-1，
c．H₂O（1）═H₂O（g）△H₃=44.0kJ•mol^-1，4a+2c-b得，CO₂（g）+4H₂（g）=CH₄（g）+2H₂O（g）△H₁=-164.0kJ•mol^-1，據(jù)此進行分析；
（2）據(jù)平衡移動分析；催化劑能加快化學反應(yīng)速率，故工業(yè)上提高甲烷反應(yīng)透擇性的關(guān)鍵因素是催化劑；
（3）反應(yīng)物有兩種以上的，增大一種反應(yīng)物濃度可以提高另一種反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率，本身轉(zhuǎn)化率降低；由圖可知，橫坐標為$\frac{n（{H}_{2}）}{n（C{O}_{2}）}$=4時，反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率為80%；據(jù)K=$\frac{{c}^{2}（{H}_{2}O）c（C{H}_{4}）}{c（C{O}_{2}）{c}^{4}（{H}_{2}）}$進行計算；
（4）由圖可知：此過程碳酸氫根轉(zhuǎn)化生成碳酸鈣，據(jù)此書寫方程式；
（5）a室為陽極，發(fā)生的電極反應(yīng)為2H₂O-4e^-=O₂↑+4H⁺，陽極室中反應(yīng)產(chǎn)生的H⁺通過質(zhì)子交換膜進入陰極室與OH^-恰好反應(yīng)生成水，所以陰極室中電解前后溶液的pH不變；其間b室發(fā)生反應(yīng)的離子方程式為H⁺+HCO₃^-=CO₂↑+H₂O，據(jù)此進行分析．

解答 解：（1）已知：H₂和CH₄的燃燒熱分別為-285.5kJ•mol^-1和-890.0kJ•mol^-1，可知熱化學方程式
a．H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=H₂O（1）△H=-285.5kJ•mol^-1，
b．CH₄（g）+2O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（1）△H=-890.0kJ•mol^-1，
c．H₂O（1）═H₂O（g）△H₃=44.0kJ•mol^-1，4a+2c-b得，CO₂（g）+4H₂（g）=CH₄（g）+2H₂O（g）△H₁=-164.0kJ•mol^-1，
故答案為：-164；
（2）CO₂（g）+4H₂（g）=CH₄（g）+2H₂O（g）△H₁=-164.0kJ•mol^-1，有利于提高CH₄平衡產(chǎn)率，即平衡正向移動，故條件是降低溫度或增大壓強；催化劑能加快化學反應(yīng)速率，故工業(yè)上提高甲烷反應(yīng)透擇性的關(guān)鍵因素是催化劑，
故答案為：降低溫度，增大壓強；催化劑；
（3）反應(yīng)物有兩種以上的，增大一種反應(yīng)物濃度可以提高另一種反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率，本身轉(zhuǎn)化率降低，依據(jù)圖象可知，b曲線為氫氣轉(zhuǎn)化率曲線；
由圖可知，橫坐標為$\frac{n（{H}_{2}）}{n（C{O}_{2}）}$=4時，甲烷的體積分數(shù)最大；
由圖象分析得a為CO₂，b為H₂，c為CH₄，
                 CO₂（g）+4H₂（g）=CH₄（g）+2H₂O（g）
開始（c）     0.5            2             0                  0
變化             0.4           1.6            0.4               0.8
平衡             0.1           0.4             0.4              0.8
K=$\frac{{c}^{2}（{H}_{2}O）c（C{H}_{4}）}{c（C{O}_{2}）{c}^{4}（{H}_{2}）}$=$\frac{0．{8}^{2}×0.4}{0.1×0．{4}^{4}}$=100，
故答案為：b；4；100；
（4）反應(yīng)物中含有碳酸氫根，生成物為碳酸鈣，依據(jù)元素守恒以及電荷守恒得出方程式為：
2HCO₃^-+Ca²⁺=CaCO₃↓+CO₂↑+H₂O，
故答案為：2HCO₃^-+Ca²⁺=CaCO₃↓+CO₂↑+H₂O；
（5）a室為陽極，發(fā)生的電極反應(yīng)為2H₂O-4e^-=O₂↑+4H⁺，陽極室中反應(yīng)產(chǎn)生的H⁺通過質(zhì)子交換膜進入陰極室與OH^-恰好反應(yīng)生成水，所以陰極室中電解前后溶液的pH不變；其間b室發(fā)生反應(yīng)的離子方程式為H⁺+HCO₃^-=CO₂↑+H₂O，
故答案為：幾乎不變；H⁺+HCO₃^-=CO₂↑+H₂O．

點評 本題考查反應(yīng)熱的計算，平衡的移動，平衡常數(shù)的計算，離子方程式的書寫，以及利用電極方程式判斷溶液pH的變化，本題難度中等．