Question

4．大氣中CO₂含量的增加會(huì)加劇溫室效應(yīng)，為減少其排放，需將工業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的CO₂分離出來(lái)進(jìn)行儲(chǔ)存和利用．
（1）CO₂與NH₃反應(yīng)可合成化肥尿素[化學(xué)式為CO（NH₂）₂]，反應(yīng)2NH₃（g）+CO₂（g）?CO（NH₂）₂（l）+H₂O（g） 在合成塔中進(jìn)行．圖1中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三條曲線為合成塔中按
不同氨碳比[n（NH₃）/n（CO₂）]和水碳比[n（H₂O）/n（CO₂）]投料時(shí)二氧化碳轉(zhuǎn)化率的情況．
①曲線Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ水碳比的數(shù)值范圍分別為0.6～0.7、1～1.1和1.5～1.61，則生產(chǎn)中應(yīng)選用水碳比的數(shù)值范圍為0.6～0.7．
②請(qǐng)推測(cè)生產(chǎn)中氨碳比控制在4.0左右還是控制在4.5左右比較適宜，并簡(jiǎn)述你的理由4.0比較適宜，氨碳比在4.5時(shí)，NH₃的量增大較多，而CO₂的轉(zhuǎn)化率增加不大，提高了生產(chǎn)成本．

（2）CO₂與H₂也可用于合成甲醇：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）．在體積可變的恒壓密閉容器中，該反應(yīng)在不同溫度、不同投料比時(shí)，CO₂的平衡轉(zhuǎn)化率如圖2所示．
①該反應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù)的表達(dá)式為K=$\frac{c（CH{\;}_{3}OH）c（H{\;}_{2}O）}{c（CO{\;}_{2}）c（H{\;}_{2}）{\;}^{3}}$．
②該反應(yīng)的△S＜0，△H＜0（填“＞”或“＜”）．
③700K投料比[n（H₂）：n（CO₂）]=2時(shí)，H₂的平衡轉(zhuǎn)化率為45%．
（3）固體氧化物電解池（SOEC）用于高溫電解CO₂/H₂O，既可高效制備合成氣（CO+H₂），又可實(shí)現(xiàn)CO₂的減排，其工作原理如圖3．

①在c極上反應(yīng)分兩步進(jìn)行：首先水電解產(chǎn)生氫氣，然后氫氣與CO₂反應(yīng)產(chǎn)生CO．
寫(xiě)出電極c上發(fā)生的電極反應(yīng)式：H₂O+2e^-=H₂+O^2-．
②若電解得到的1：1的合成氣（CO+H₂），則通入的CO₂和H₂O物質(zhì)的量比值為1：2．
（4）以TiO₂/Cu₂Al₂O₄為催化劑，可以將CO₂和CH₄直接轉(zhuǎn)化成乙酸．在不同溫度下催化劑的催化效率與乙酸的生成速率的關(guān)系見(jiàn)圖4．如何解釋圖4中250-400℃時(shí)溫度升高與乙酸的生成速率變化的關(guān)系？在250-300℃過(guò)程中，催化劑是影響速率的主要因素，因此催化效率的降低，導(dǎo)致反應(yīng)速率也降低；而在300-400℃時(shí)，催化效率低且變化程度較小，但反應(yīng)速率增加較明顯，因此該過(guò)程中溫度是影響速率的主要因素，溫度越高，反應(yīng)速率越大．

Answer 1

分析 （1）①依據(jù)反應(yīng)轉(zhuǎn)化率的大小分析，結(jié)合圖象分析判斷；
②氨碳比在4.5時(shí)氨氣量增大對(duì)二氧化碳的轉(zhuǎn)化率增加不大；
（2）①根據(jù)平衡常數(shù)等于生成物的濃度冪之積除以反應(yīng)物的濃度冪之積進(jìn)行書(shū)寫(xiě)；
②根據(jù)反應(yīng)前后氣體的物質(zhì)的量大小判斷△S，根據(jù)溫度對(duì)平衡的影響分析△H；
③由圖可知，在700K，投料比[n（H₂）：n（CO₂）]=2時(shí)，二氧化碳轉(zhuǎn)化率為30%，令CO₂、H₂的起始物質(zhì)的量分別為1mol、2mol，轉(zhuǎn)化的二氧化碳為0.3mol，根據(jù)方程式可知轉(zhuǎn)化的氫氣為0.9mol，進(jìn)而計(jì)算H₂ 的轉(zhuǎn)化率；
（3）水電解產(chǎn)生氫氣，電極反應(yīng)為H₂O+2e^-═H₂+O^2-，后反應(yīng)為H₂+CO₂═H₂O+CO，根據(jù)電極反應(yīng)式可得電解得到1：1的合成氣（CO+H₂）通入的CO₂和H₂O物質(zhì)的量之比；
（4）在250-300℃過(guò)程中，催化劑是影響速率的主要因素，因此催化效率的降低，導(dǎo)致反應(yīng)速率也降低；而在300-400℃時(shí)，催化效率低且變化程度較小，但反應(yīng)速率增加較明顯．

解答 解：（1）①氨碳比相同時(shí)曲線Ⅰ二氧化碳的轉(zhuǎn)化率大，所以生產(chǎn)中選用水碳比的數(shù)值為0.6～0.7；
故答案為：0.6～0.7；
②氨碳比在4.5時(shí)，需要氨氣較多，但依據(jù)圖象分析二氧化碳轉(zhuǎn)化率增大不多，工業(yè)合成氨生成工藝較復(fù)雜，提高生產(chǎn)成本，所以氨碳比控制在4.0左右；
故答案為：4.0比較適宜；氨碳比在4.5時(shí)，NH₃的量增大較多，而CO₂的轉(zhuǎn)化率增加不大，提高了生產(chǎn)成本；
（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，所以平衡常數(shù)K=$\frac{c（CH{\;}_{3}OH）c（H{\;}_{2}O）}{c（CO{\;}_{2}）c（H{\;}_{2}）{\;}^{3}}$，故答案為：K=$\frac{c（CH{\;}_{3}OH）c（H{\;}_{2}O）}{c（CO{\;}_{2}）c（H{\;}_{2}）{\;}^{3}}$；
②因?yàn)樵摲磻?yīng)為氣體減小的反應(yīng)，則△S＜0，因?yàn)闇囟仍礁撸珻O₂轉(zhuǎn)化率越小，則平衡逆移，所以該反應(yīng)正方向?yàn)榉艧岱磻?yīng)，即△H＜0，故答案為：＜；＜；
③由圖可知，在700K，投料比[n（H₂）：n（CO₂）]=2時(shí)，二氧化碳轉(zhuǎn)化率為30%，令CO₂、H₂的起始物質(zhì)的量分別為1mol、2mol，轉(zhuǎn)化的二氧化碳為0.3mol，根據(jù)方程式可知轉(zhuǎn)化的氫氣為0.9mol，進(jìn)而計(jì)算H₂ 的轉(zhuǎn)化率=$\frac{0.9mol}{2mol}$×100%=45%，
故答案為：45%；
（3）①在c極水電解產(chǎn)生氫氣，電極反應(yīng)為H₂O+2e^-═H₂+O^2-，后反應(yīng)為H₂+CO₂═H₂O+CO；故答案為：H₂O+2e^-═H₂+O^2-；
②若電解得到的1：1的合成氣（CO+H₂），在c極水電解產(chǎn)生氫氣，電極反應(yīng)為H₂O+2e^-═H₂+O^2-，后反應(yīng)為H₂+CO₂═H₂O+CO，則產(chǎn)生CO消耗等量的H₂，故H₂和CO物質(zhì)的量比為2：1，所以通入的CO₂和H₂O物質(zhì)的量比值為1：2；故答案為：1：2；
（4）在250-300℃過(guò)程中，催化劑是影響速率的主要因素，因此催化效率的降低，導(dǎo)致反應(yīng)速率也降低；而在300-400℃時(shí)，催化效率低且變化程度較小，但反應(yīng)速率增加較明顯，故答案為：在250-300℃過(guò)程中，催化劑是影響速率的主要因素，因此催化效率的降低，導(dǎo)致反應(yīng)速率也降低；而在300-400℃時(shí)，催化效率低且變化程度較小，但反應(yīng)速率增加較明顯，因此該過(guò)程中溫度是影響速率的主要因素，溫度越高，反應(yīng)速率越大．

點(diǎn)評(píng) 本題考查了化學(xué)平衡移動(dòng)原理的應(yīng)用，電解池電極反應(yīng)的分析書(shū)寫(xiě)以及圖象分析等，題目難度中等，培養(yǎng)學(xué)生信息應(yīng)用能力．