Question

5．二氧化碳的捕集、利用是我國(guó)能源領(lǐng)域的一個(gè)重要戰(zhàn)略方向．

（1）科學(xué)家提出由CO₂制取C的太陽(yáng)能工藝如圖1所示．
若“重整系統(tǒng)”發(fā)生的反應(yīng)中$\frac{{n（{FeO}）}}{{n（{C{O_2}}）}}$=6，則Fe_xO_y的化學(xué)式為Fe₃O₄．
（2）工業(yè)上用CO₂和H₂反應(yīng)合成二甲醚．已知：
CO₂（g）+3H₂（g）=CH₃OH（g）+H₂O（g）△H₁=-53.7kJ•mol^-1
CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）=2CH₃OH（g）△H₂=+23.4kJ•mol^-1
則2CO₂（g）+6H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+3H₂O（g）△H₃=-130.8kJ•mol^-1
（3）①一定條件下，上述合成二甲醚的反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)后，若改變反應(yīng)的某一個(gè)條件，下列變化能說(shuō)明平衡一定向正反應(yīng)方向移動(dòng)的是b（填代號(hào)）．
a．逆反應(yīng)速率先增大后減小b．H₂的轉(zhuǎn)化率增大
c．反應(yīng)物的體積百分含量減小d．容器中的$\frac{{n（{C{O_2}}）}}{{n（{H_2}）}}$值變小
②在某壓強(qiáng)下，合成二甲醚的反應(yīng)在不同溫度、不同投料比時(shí)，CO₂的轉(zhuǎn)化率如圖2所示．
T₁溫度下，將6mol CO₂和12mol H₂充入2L的密閉容器中，5min后反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，則0～5min內(nèi)的平均反應(yīng)速率v（CH₃OCH₃）=0.18mol•L^-1•min^-1
③上述合成二甲醚的過(guò)程中提高CO₂的轉(zhuǎn)化率可采取的措施有增大壓強(qiáng)、降低溫度（回答2點(diǎn)）．
（4）常溫下，用氨水吸收CO₂可得到NH₄HCO₃溶液，在NH₄HCO₃溶液中，c（NH₄⁺）＞c（HCO₃^-）（填“＞”、“＜”或“=”）；反應(yīng)NH₄⁺+HCO₃^-+H₂O?NH₃•H₂O+H₂CO₃的平衡常數(shù)K=1.25×10^-3．（已知常溫下NH₃•H₂O的電離平衡常數(shù)K_b=2×10^-5mol•L^-1，H₂CO₃的電離平衡常數(shù)K₁=4×10^-7mol•L^-1，K₂=4×10^-11mol•L^-1）
（5）據(jù)報(bào)道以二氧化碳為原料采用特殊的電極電解強(qiáng)酸性的二氧化碳水溶液可得到多種燃料，其原理如圖3所示．電解時(shí)其中b極上生成乙烯的電極反應(yīng)式為2CO₂+12H⁺+12e^-=C₂H₄+4H₂O．

Answer 1

分析 （1）由示意圖可知，重整系統(tǒng)中CO₂和FeO反應(yīng)生成Fe_xO_y和C，根據(jù)原子守恒確定Fe_xO_y的化學(xué)式；（2）已知：①CO₂（g）+3H₂（g）═CH₃OH（g）+H₂O（g）△H₁=-53.7kJ•mol^-1
②CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）═2CH₃OH（g）△H₂=+23.4kJ•mol^-1
根據(jù)蓋斯定律，①×2-②可得：2CO₂（g）+6H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+3H₂O（g），據(jù)此計(jì)算；
（3）①根據(jù)影響化學(xué)平衡的因素分析各選項(xiàng)；
②T₁溫度下，將6molCO₂和12molH₂充入2L的密閉容器中，由圖象可知，5min后反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)二氧化碳轉(zhuǎn)化率為60%，則生成CH₃OCH₃0為6mol×60%×$\frac{1}{2}$=1.8mol，根據(jù)平均反應(yīng)速率v=$\frac{△c}{△t}$計(jì)算；
③根據(jù)反應(yīng)2CO₂（g）+6H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+3H₂O（g）為放熱反應(yīng)、氣體體積減小，提高CO₂的轉(zhuǎn)化率的方法有增大壓強(qiáng)、降低溫度，從圖可知投料比越大，轉(zhuǎn)化越大；
（4）根據(jù)鹽類(lèi)水解規(guī)律，已知NH₃．H₂O的電離平衡常數(shù)K=12×10^-5，H₂CO₃的電離平衡常數(shù)K₁=4×10^-7，K₂=4×10^-11，越弱越水解判斷；反應(yīng)NH₄⁺+HCO₃^-+H₂O═NH₃．H₂O+H₂CO₃的平衡常數(shù)K=$\frac{c（N{H}_{3}•{H}_{2}O）c（{H}_{2}C{O}_{3}）}{c（N{{H}_{4}}^{+}）c（HC{{O}_{3}}^{-}）}$=$\frac{c（{H}^{+}）c（O{H}^{-}）}{K（N{H}_{3}•{H}_{2}O）{K}_{1}}$計(jì)算；
（5）太陽(yáng)能電池為電源，電解強(qiáng)酸性的二氧化碳水溶液得到乙烯，乙烯在陰極生成．

解答 解：（1）由示意圖可知，重整系統(tǒng)中CO₂和FeO反應(yīng)生成Fe_xO_y和C，發(fā)生的反應(yīng)中$\frac{n（FeO）}{n（C{O}_{2}）}$=6，根據(jù)Fe原子、O原子守恒可知x：y=6：（6+2）=3：4，故Fe_xO_y的化學(xué)式為Fe₃O₄；
故答案為：Fe₃O₄；
（2）已知：①CO₂（g）+3H₂（g）═CH₃OH（g）+H₂O（g）△H₁=-53.7kJ•mol^-1
②CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）═2CH₃OH（g）△H₂=+23.4kJ•mol^-1
根據(jù)蓋斯定律，①×2-②可得：2CO₂（g）+6H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+3H₂O（g）△H₃=-130.8kJ•mol^-1；
故答案為：-130.8；
（3）①a．逆反應(yīng)速率先增大后減小，可能是增大生成物濃度，平衡逆向移動(dòng)，故錯(cuò)誤；
b．H₂的轉(zhuǎn)化率增大，平衡一定正向移動(dòng)，故正確；
c．反應(yīng)物的體積百分含量減小，可能是增大生成物濃度，平衡逆向移動(dòng)，故錯(cuò)誤；
d．容器中的$\frac{n（C{O}_{2}）}{n（{H}_{2}）}$變小，可能是減小二氧化碳物質(zhì)的量，平衡逆向移動(dòng)，故錯(cuò)誤；
故答案為：b；
②T₁溫度下，將6molCO₂和12molH₂充入2L的密閉容器中，由圖象可知，5min后反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)二氧化碳轉(zhuǎn)化率為60%，則生成CH₃OCH₃0為6mol×60%×$\frac{1}{2}$=1.8mol，所以平均反應(yīng)速率v（CH₃OCH₃）=$\frac{1.8mol÷2L}{5min}$=0.18mol•L^-1•min^-1；
故答案為：0.18mol•L^-1•min^-1；
③反應(yīng)2CO₂（g）+6H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+3H₂O（g）為放熱反應(yīng)、氣體體積減小，提高CO₂的轉(zhuǎn)化率，要求反應(yīng)正向移動(dòng)，方法有增大壓強(qiáng)、降低溫度，從圖可知投料比越大，CO₂的轉(zhuǎn)化率也越大；
故答案為：增大投料比、增大壓強(qiáng)、降低溫度等；
（4）根據(jù)鹽類(lèi)水解規(guī)律，已知NH₃．H₂O的電離平衡常數(shù)K=2×10^-5，H₂CO₃的電離平衡常數(shù)K₁=4×10^-7，K₂=4×10^-11，所以碳酸氫根的水解程度更大，所以c（NH₄⁺） 大于c（HCO₃^-）；反應(yīng)NH₄⁺+HCO₃^-+H₂O═NH₃．H₂O+H₂CO₃的平衡常數(shù)K=$\frac{c（N{H}_{3}•{H}_{2}O）c（{H}_{2}C{O}_{3}）}{c（N{{H}_{4}}^{+}）c（HC{{O}_{3}}^{-}）}$=$\frac{c（{H}^{+}）c（O{H}^{-}）}{K（N{H}_{3}•{H}_{2}O）{K}_{1}}$=$\frac{1{0}^{-14}}{2×1{0}^{-5}×4×1{0}^{-7}}$=1.25×10^-3；
故答案為：＞；1.25×10^-3；
（5）電解時(shí)，二氧化碳在b極上生成乙烯，電極反應(yīng)式為2CO₂+12H⁺+12e^-=C₂H₄+4H₂O；
故答案為：2CO₂+12H⁺+12e^-=C₂H₄+4H₂O．

點(diǎn)評(píng) 本題考查化學(xué)平衡計(jì)算與影響因素、蓋斯定律的應(yīng)用、溶液的平衡以及原電池反應(yīng)等知識(shí)，較為綜合，考查對(duì)圖象分析提取信息能力等，為高考常見(jiàn)題型，題目難度中等．