Question

16．CO₂和CH₄是兩種重要的溫室氣體，通過(guò)化學(xué)反應(yīng)可以將它們轉(zhuǎn)化為其他物質(zhì)．
（1）已知：CH₄（g）+2O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（g）△H₁=-802.0kJ•mol^-1
CO（g）+H₂O（g）=CO₂（g）+H₂（g）△H₂=-41.2kJ•mol^-1
2CO（g）+O₂（g）=2CO₂（g）△H₃=-566.0kJ•mol^-1
反應(yīng)CO₂（g）+CH₄（g）=2CO（g）+2H₂（g）的△H=+247.6kJ•mol^-1．
（2）在一定條件下，CH₄和CO₂以鎳合金為催化劑，發(fā)生反應(yīng)：CO₂（g）+CH₄（g）?2CO（g）+2H₂（g），其平衡常數(shù)與溫度的關(guān)系如下表：

溫度/℃	200℃	250℃	300℃
平衡常數(shù)/（mol•L-1）2	K1	K2	80

①該反應(yīng)的平衡常數(shù)表達(dá)式為K=$\frac{{c}^{2}（CO）{c}^{2}（{H}_{2}）}{c（C{O}_{2}）c（C{H}_{4}）}$．
②k₁、K₂的關(guān)系是K₁＜K₂．（填寫(xiě)“＞”、“＜”或“=”）
（3）以二氧化鈦表面覆蓋Cu₂Al₂O₄為催化劑，可以將CO₂和CH₄直接轉(zhuǎn)化成乙酸．
①催化劑的催化效率與乙酸的生成速率隨溫度的變化關(guān)系如圖所示．250～300℃時(shí)，溫度升高而乙酸的生成速率降低的原因是溫度超過(guò)250℃時(shí)，催化劑的催化效率降低．
②為了提高該反應(yīng)中CH₄的轉(zhuǎn)化率，可以采取的措施是增大反應(yīng)壓強(qiáng)、增大CO₂的濃度．
③將Cu₂Al₂O₄溶解在稀硝酸中的離子方程式為3Cu₂Al₂O₄+32H⁺+2NO₃^-=6Cu²⁺+6Al³⁺+2NO↑+16H₂O．
（4）以氫氧化鉀水溶液作電解質(zhì)進(jìn)行電解，CO₂在銅電極上可轉(zhuǎn)化為甲烷，該電極反應(yīng)式為CO₂+8e^-+6H₂O=CH₄+8OH^-．

Answer 1

分析 （1）根據(jù)蓋斯定律①+②×2-③×2得熱化學(xué)方程式；
（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；
②根據(jù)溫度對(duì)平衡常數(shù)的影響判斷；
（3）①根據(jù)溫度對(duì)催化劑活性的影響；
②根據(jù)外界條件對(duì)化學(xué)平衡的影響，平衡正向移動(dòng)，反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率增大；
③先將Cu₂Al₂O₄拆成氧化物的形式：Cu₂O•Al₂O₃，再根據(jù)氧化物與酸反應(yīng)生成離子方程式，需要注意的是一價(jià)銅具有還原性；
（4）根據(jù)原電池原理，CO₂在正極發(fā)生還原反應(yīng)轉(zhuǎn)化為甲烷，注意電解質(zhì)溶液為堿性．

解答 解：（1）CH₄（g）+2O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-802.0kJ•mol^-1 ①
CO（g）+H₂O （g）=CO₂（g）+H₂ （g）△H=-41.2kJ•mol^-1 ②
2CO（g）+O₂（g）=2CO₂（g）△H=-566.0kJ•mol^-1 ③
根據(jù)蓋斯定律，由①+②×2-③×2得，CO₂（g）+CH₄（g）?2CO（g）+2H₂（g）△H=-890.3kJ•mol^-1+2.8kJ•mol^-1×2+566.0kJ•mol^-1×2=+247.6 kJ•mol^-1，
故答案為：+247.6；
（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，CO₂（g）+CH₄（g）?2CO（g）+2H₂（g），反應(yīng)的平衡常數(shù)表達(dá)式為：K=$\frac{{c}^{2}（CO）{c}^{2}（{H}_{2}）}{c（C{O}_{2}）c（C{H}_{4}）}$；
故答案為：$\frac{{c}^{2}（CO）{c}^{2}（{H}_{2}）}{c（C{O}_{2}）c（C{H}_{4}）}$；
②根據(jù)（1）中計(jì)算結(jié)果可知，該反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，所以升高溫度平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，平衡常數(shù)增大，所以K₁＜K₂，
故答案為：＜；
（3）①溫度超過(guò)250℃時(shí)，催化劑的催化效率降低，所以溫度升高而乙酸的生成速率降低，
故答案：溫度超過(guò)250℃時(shí)，催化劑的催化效率降低；
②增大反應(yīng)壓強(qiáng)、增大CO₂的濃度，平衡正向移動(dòng)，反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率增大，
故答案為：增大反應(yīng)壓強(qiáng)、增大CO₂的濃度；
③Cu₂Al₂O₄拆成氧化物的形式：Cu₂O•Al₂O₃，與酸反應(yīng)生成離子方程式：3Cu₂Al₂O₄+32H⁺+2NO₃^-=6Cu²⁺+6Al³⁺+2NO↑+16H₂O，
故答案為：3Cu₂Al₂O₄+32H⁺+2NO₃^-=6Cu²⁺+6Al³⁺+2NO↑+16H₂O；
（4）CO₂在正極發(fā)生還原反應(yīng)轉(zhuǎn)化為甲烷，電極反應(yīng)為：CO₂+8e^-+6H₂O=CH₄+8OH^-，
故答案為：CO₂+8e^-+6H₂O=CH₄+8OH^-．

點(diǎn)評(píng) 本題主要考查了CO₂的綜合利用，涉及熱化學(xué)反應(yīng)、電化學(xué)、化學(xué)平衡常數(shù)的表達(dá)及影響因素等，較為綜合，題目難度中等．