Question

12．二氧化碳的捕集、利用與封存（CCUS）是我國能源領(lǐng)域的一個(gè)重要戰(zhàn)略方向，CCUS或許發(fā)展成一項(xiàng)重要的新興產(chǎn)業(yè)．
（1）國外學(xué)者提出的由CO₂制取C的太陽能工藝如圖1所示
①“熱分解系統(tǒng)”發(fā)生的反應(yīng)為2Fe₃O₄$\frac{\underline{\;2300K\;}}{\;}$6FeO+O₂↑，每分解lmolFe₃O₄轉(zhuǎn)移電子的個(gè)數(shù)為2N_A或1.204×10²⁴．
②“重整系統(tǒng)”發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式為6FeO（S）+CO₂2Fe₃O₄（S）+C．

（2）二氧化碳催化加氫合成低碳烯烴是目前研究的熱門課題，起始時(shí)以0.1MPa，n（H₂）：n（CO₂）=3：1的投料比充入反應(yīng)器中，發(fā)生反應(yīng)：2CO₂（g）+6H₂（g）?C₂H₄（g）+4H₂O（g）；不同溫度下平衡時(shí)的四種氣態(tài)物質(zhì)的物質(zhì)的量如圖2所示：
①曲線b表示的物質(zhì)為H₂O （寫化學(xué)式）．
②若平衡時(shí)壓強(qiáng)為0.08MPa，則CO₂的轉(zhuǎn)化率為53.3%，用電子式表示CO₂分子的形成過程．
（3）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．
①此過程涉及的所有能量轉(zhuǎn)換為：太陽能轉(zhuǎn)化為電能、電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能．
②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）①該反應(yīng)中Fe元素化合價(jià)由+3價(jià)變?yōu)?2價(jià)，O元素化合價(jià)由-2價(jià)變?yōu)?價(jià)，根據(jù)轉(zhuǎn)移電子和Fe₃O₄之間的關(guān)系式計(jì)算；
②根據(jù)圖知，反應(yīng)物是二氧化碳和FeO，生成物的四氧化三鐵和C，反應(yīng)條件是700K；（2）①根據(jù)圖知，升高溫度，氫氣物質(zhì)的量增大，說明平衡逆向移動(dòng)，則正反應(yīng)是放熱反應(yīng)；a曲線隨著溫度升高，物質(zhì)的量增大，為二氧化碳，b、c隨著溫度升高其物質(zhì)的量降低，為生成物水、乙烯，但水的變化量大于乙烯，據(jù)此判斷b曲線代表物質(zhì)；
②壓強(qiáng)之比等于其物質(zhì)的量之比，設(shè)反應(yīng)前氫氣、二氧化碳物質(zhì)的量分別是3xmol、xmol，反應(yīng)后混合氣體物質(zhì)的量=$\frac{（3x+x）mol}{0.1MPa}×0.08MPa$=3.2xmol，反應(yīng)平衡是氣體物質(zhì)的量減少量=（3x+x-3.2x）mol=0.8xmol，設(shè)二氧化碳參加反應(yīng)的物質(zhì)的量為ymol，
2CO₂（g）+6H₂（g）?C₂H₄（g）+4H₂O（g）減少
2mol                                 3mol
ymol                                  0.8xmol
則：2mol：3mol=ymol：0.8xmol，解得y=$\frac{1.6x}{3}$，進(jìn)而計(jì)算二氧化碳轉(zhuǎn)化率；
C、O原子之間通過共用電子對(duì)形成二氧化碳共價(jià)化合物；
（3）①太陽能電池中光能轉(zhuǎn)化為電能，電解強(qiáng)酸性的二氧化碳水溶液得到乙烯，電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能；
②電解時(shí)，二氧化碳在b極上得電子發(fā)生還原反應(yīng)生成乙烯．

解答 解：（1）①該反應(yīng)中Fe元素化合價(jià)由+3價(jià)變?yōu)?2價(jià)，O元素化合價(jià)由-2價(jià)變?yōu)?價(jià)，分解2mol四氧化三鐵轉(zhuǎn)移4mol電子，則分解1mol四氧化三鐵轉(zhuǎn)移2mol電子，轉(zhuǎn)移電子個(gè)數(shù)為2N_A或1.204×10²⁴，故答案為：2N_A或1.204×10²⁴；
②根據(jù)圖知，反應(yīng)物是二氧化碳和FeO，生成物的四氧化三鐵和C，反應(yīng)條件是700K，反應(yīng)方程式為6FeO（S）+CO₂2Fe₃O₄（S）+C，
故答案為：6FeO（S）+CO₂2Fe₃O₄（S）+C；
（2）①根據(jù)圖知，升高溫度，氫氣物質(zhì)的量增大，說明平衡逆向移動(dòng)，則正反應(yīng)是放熱反應(yīng)；a曲線隨著溫度升高，物質(zhì)的量增大，為二氧化碳，b、c隨著溫度升高其物質(zhì)的量降低，為生成物水、乙烯，但水的變化量大于乙烯，所以b曲線代表H₂O，故答案為：H₂O；
②壓強(qiáng)之比等于其物質(zhì)的量之比，設(shè)反應(yīng)前氫氣、二氧化碳物質(zhì)的量分別是3xmol、xmol，反應(yīng)后混合氣體物質(zhì)的量=$\frac{（3x+x）mol}{0.1MPa}×0.08MPa$=3.2xmol，反應(yīng)平衡是氣體物質(zhì)的量減少量=（3x+x-3.2x）mol=0.8xmol，
設(shè)二氧化碳參加反應(yīng)的物質(zhì)的量為ymol，
2CO₂（g）+6H₂（g）?C₂H₄（g）+4H₂O（g）減少
2mol                                3mol
ymol                               0.8xmol
則2mol：3mol=ymol：0.8xmol，解得y=$\frac{1.6x}{3}$，故二氧化碳轉(zhuǎn)化率=$\frac{\frac{1.6x}{3}mol}{xmol}×100%$=53.3%；
C、O原子之間通過共用電子對(duì)形成二氧化碳共價(jià)化合物，其形成過程為，
故答案為：53.3%；；
（3）①太陽能電池中光能轉(zhuǎn)化為電能，電解強(qiáng)酸性的二氧化碳水溶液得到乙烯，電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，
故答案為：太陽能轉(zhuǎn)化為電能、電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能；
②電解時(shí)，二氧化碳在b極上得電子發(fā)生還原反應(yīng)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) 本題考查原電池和電解池原理、化學(xué)平衡計(jì)算、氧化還原反應(yīng)有關(guān)計(jì)算，為高頻考點(diǎn)，注意四氧化三鐵中Fe元素化合價(jià)，難點(diǎn)是電極反應(yīng)式的書寫，題目難度不大．