Question

2．CO₂和CH₄是兩種重要的溫室氣體，通過CH₄和CO₂反應制造更高價值化學品是目前的研究目標．
（1）250℃時，以鎳合金為催化劑，向4L容器中通入6mol CO₂、6mol CH₄，發(fā)生如下反應：
CO₂（g）+CH₄（g）?2CO（g）+2H₂（g）．平衡體系中各組分體積分數(shù)如下表：

物質	CH4	CO2	CO	H2
體積分數(shù)	0.1	0.1	0.4	0.4

①t min內CO₂的平均反應速率為$\frac{1}{t}$mol•L^-1•min^-1．此溫度下該反應的平衡常數(shù)K=64
②已知：
CH₄（g）+2O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-802.3kJ•mol^-1
CO（g）+H₂O （g）=CO₂（g）+H₂ （g）△H=-41.2kJ•mol^-1
2CO（g）+O₂（g）=2CO₂（g）△H=-566.0kJ•mol^-1
反應CO₂（g）+CH₄（g）?2CO（g）+2H₂（g） 的△H=+247.3kJ•mol^-1
（2）以二氧化鈦表面覆蓋Cu₂Al₂O₄（難溶于水）為催化劑，可以將CO₂和CH₄直接氧化成乙酸．
①不同溫度下催化劑的催化效率與乙酸的生成速率如圖所示．250～300℃時，溫度升高而乙酸的生成速率降低的原因溫度超過250℃時，催化劑的催化效率降低．
②為了提高該反應中CH₄的轉化率，可以采取的措施是增大反應壓強或增大CO₂的濃度等．（答一條即可）
③將Cu₂Al₂O₄溶解在稀硝酸中的離子方程式為3 Cu₂Al₂O₄+32 H⁺+2 NO₃^-=6 Cu²⁺+6 Al³⁺+2 NO↑+16 H₂O．

Answer 1

分析 （1）向4L容器中通入6mol CO₂、6mol CH₄，設平衡時轉化的二氧化碳為xmol，則：
           CO₂（g）+CH₄（g）?2CO（g）+2H₂（g）
起始量（mol）：6       6          0      0
變化量（mol）：x       x          2x      2x
平衡量（mol）：6-x     6-x        2x      2x
平衡時二氧化碳、CO的體積分數(shù)分別為0.1、0.4，則2x=4×（6-x），解得x=4，
①根據(jù)v=$\frac{△c}{△t}$計算v（CO₂）；平衡常數(shù)K=$\frac{{c}^{2}（CO）×{c}^{2}（{H}_{2}）}{c（C{O}_{2}）×c（C{H}_{4}）}$；
②已知：Ⅰ．CH₄（g）+2O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-802.3kJ•mol^-1
Ⅱ．CO（g）+H₂O （g）=CO₂（g）+H₂ （g）△H=-41.2kJ•mol^-1
Ⅲ.2CO（g）+O₂（g）=2CO₂（g）△H=-566.0kJ•mol^-1
根據(jù)蓋斯定律，Ⅰ+Ⅱ×2-Ⅲ×2可得：CO₂（g）+CH₄（g）?2CO（g）+2H₂（g），焓變也進行相應計算；
（2）發(fā)生反應：CO₂（g）+CH₄（g）$\stackrel{催化劑}{→}$CH₃COOH（g），
①催化劑活性受溫度影響，溫度超過250℃時，催化劑的催化效率降低；
②為了提高該反應中CH₄的轉化率，可以增大壓強或增大二氧化碳濃度、將生成乙酸移走等；
③將Cu₂Al₂O₄中Cu為+1甲，溶解在稀硝酸中生成硝酸銅、硝酸鋁、NO與水．

解答 解：（1）向4L容器中通入6mol CO₂、6mol CH₄，設平衡時轉化的二氧化碳為xmol，則：
           CO₂（g）+CH₄（g）?2CO（g）+2H₂（g）
起始量（mol）：6       6         0       0
變化量（mol）：x       x         2x      2x
平衡量（mol）：6-x     6-x       2x      2x
平衡時二氧化碳、CO的體積分數(shù)分別為0.1、0.4，則2x=4×（6-x），解得x=4，
①v（CO₂）=$\frac{\frac{4mol}{4L}}{tmin}$=$\frac{1}{t}$mol/（L．min）；平衡常數(shù)K=$\frac{{c}^{2}（CO）×{c}^{2}（{H}_{2}）}{c（C{O}_{2}）×c（C{H}_{4}）}$=$\frac{（\frac{8}{4}）^{2}×（\frac{8}{4}）^{2}}{\frac{2}{4}×\frac{2}{4}}$=64，
故答案為：$\frac{1}{t}$mol/（L．min）；64；
②已知：Ⅰ．CH₄（g）+2O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-802.3kJ•mol^-1
Ⅱ．CO（g）+H₂O （g）=CO₂（g）+H₂ （g）△H=-41.2kJ•mol^-1
Ⅲ.2CO（g）+O₂（g）=2CO₂（g）△H=-566.0kJ•mol^-1
根據(jù)蓋斯定律，Ⅰ+Ⅱ×2-Ⅲ×2可得：CO₂（g）+CH₄（g）?2CO（g）+2H₂（g），則△H=-802.3kJ•mol^-1+2×（-41.2kJ•mol^-1）-2×（-566.0kJ•mol^-1）=+247.3 kJ•mol^-1，
故答案為+247.3；
（2）發(fā)生反應：CO₂（g）+CH₄（g）$\stackrel{催化劑}{→}$CH₃COOH（g），
①催化劑活性受溫度影響，溫度超過250℃時，催化劑的催化效率降低，乙酸的生成速率降低，
故答案為：溫度超過250℃時，催化劑的催化效率降低；
②為了提高該反應中CH₄的轉化率，可以增大壓強或增大二氧化碳濃度、將生成乙酸移走等，
故答案為：增大反應壓強或增大CO₂的濃度等；
③將Cu₂Al₂O₄中Cu為+1甲，溶解在稀硝酸中生成硝酸銅、硝酸鋁、NO與水，反應離子方程式為：3 Cu₂Al₂O₄+32 H⁺+2 NO₃^-=6 Cu²⁺+6 Al³⁺+2 NO↑+16 H₂O，
故答案為：3 Cu₂Al₂O₄+32 H⁺+2 NO₃^-=6 Cu²⁺+6 Al³⁺+2 NO↑+16 H₂O．

點評 本題考查化學平衡計算、反應熱計算、反應速率影響條件、化學方程式書寫等，側重考查學生對知識的遷移應用，難度中等．