Question

7．以氧化鋁為原料，通過碳熱還原法可合成氮化鋁（AlN）；通過電解法可制取鋁．電解鋁時(shí)陽極產(chǎn)生的CO₂可通過二氧化碳甲烷化再利用．
請(qǐng)回答：
（1）已知：2Al₂O₃（s）═4Al（g）+3O₂（g）△H₁=3351KJ•mol^-1
2C（s）+O₂（g）═2CO（g）△H₂=-221KJ•mol^-1
2Al（g）+N₂（g）═2AlN（s）△H₃=-318KJ•mol^-1
碳熱還原Al₂O₃合成AlN的總熱化學(xué)方程式是3C（s）+Al₂O₃（s）+N₂（g）=2AlN（s）+3CO（g）△H=+1026KJ/mol/L，該反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行的條件高溫．
（2）在常壓、Ru/TiO₂催化下，CO₂和H₂混和氣體（體積比1：4，總物質(zhì)的量a mol）進(jìn)行反應(yīng)，測得CO₂轉(zhuǎn)化率、CH₄和CO選擇性隨溫度變化情況分別如圖1和圖2所示（選擇性：轉(zhuǎn)化的CO₂中生成CH₄或CO的百分比）．
反應(yīng)ⅠCO₂（g）+4H₂（g）?CH₄（g）+2H₂O（g）△H₄
反應(yīng)ⅡCO₂（g）+H₂（g）?CO（g）+H₂O（g）△H₅

①下列說法不正確的是CD
A．△H₄小于零
B．溫度可影響產(chǎn)物的選擇性
C．CO₂平衡轉(zhuǎn)化率隨溫度升高先增大后減少
D．其他條件不變，將CO₂和H₂的初始體積比改變?yōu)?：3，可提高CO₂平衡轉(zhuǎn)化率
②350℃時(shí)，反應(yīng)Ⅰ在t₁時(shí)刻達(dá)到平衡，平衡時(shí)容器體積為VL該溫度下反應(yīng)Ⅰ的平衡常數(shù)為$\frac{625{V}^{2}}{{a}^{2}}$（用a、V表示）
③350℃下CH₄物質(zhì)的量隨時(shí)間的變化曲線如圖3所示．畫出400℃下0～t₁時(shí)刻CH₄物質(zhì)的量隨時(shí)間的變化曲線．
（3）據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，CO₂可以在堿性水溶液中電解生成甲烷，生成甲烷的電極反應(yīng)式是CO₂+6H₂O+8e^-═CH₄+8OH^-．

Answer 1

分析 （1）①2Al₂O₃（s）═4Al（g）+3O₂（g）△H₁=3351KJ•mol^-1
②2C（s）+O₂（g）═2CO（g）△H₂=-221KJ•mol^-1
③2Al（g）+N₂（g）═2AlN（s）△H₃=-318KJ•mol^-1
蓋斯定律計(jì)算，（①+②×3+③×2）×$\frac{1}{2}$得到碳熱還原Al₂O₃合成AlN的總熱化學(xué)方程式，反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行的判斷依據(jù)是△H-T△S＜0；
（2）①A．圖象中二氧化碳轉(zhuǎn)化率隨溫度升高減小，說明正反應(yīng)為放熱反應(yīng)；
B．圖象2分析隨溫度升高到400°C以上，選擇性受溫度影響；
C．二氧化碳轉(zhuǎn)化率先增大是反應(yīng)正向進(jìn)行未達(dá)到平衡狀態(tài)；
D．兩種反應(yīng)物增大一種會(huì)提高另一種的轉(zhuǎn)化率，本身轉(zhuǎn)化率減小；
②350℃時(shí)，反應(yīng)Ⅰ在t₁時(shí)刻達(dá)到平衡，平衡時(shí)容器體積為VL，二氧化碳轉(zhuǎn)化率為80%，結(jié)合三行計(jì)算計(jì)算平衡濃度，K=$\frac{生成物平衡濃度冪次方乘積}{反應(yīng)物平衡濃度冪次方乘積}$；
③反應(yīng)為放熱反應(yīng)，升溫平衡逆向進(jìn)行，二氧化碳轉(zhuǎn)化率減小，圖中分析可知接近72.5%，甲烷物質(zhì)的量減小小于350°C時(shí)甲烷物質(zhì)的量，達(dá)到平衡所需要時(shí)間縮短；
（3）CO₂可以在堿性水溶液中電解生成甲烷，結(jié)合電荷守恒和原子守恒，用氫氧根離子濃度配平電荷守恒得到電極反應(yīng)．

解答 解：（1）①2Al₂O₃（s）═4Al（g）+3O₂（g）△H₁=3351KJ•mol^-1
②2C（s）+O₂（g）═2CO（g）△H₂=-221KJ•mol^-1
③2Al（g）+N₂（g）═2AlN（s）△H₃=-318KJ•mol^-1
蓋斯定律計(jì)算，（①+②×3+③×2）×$\frac{1}{2}$得到，
碳熱還原Al₂O₃合成AlN的總熱化學(xué)方程式：3C（s）+Al₂O₃（s）+N₂（g）=2AlN（s）+3CO（g）△H=+1026KJ/mol/L，反應(yīng)△S＞0，△H＞0，則滿足△H-T△S＜0，反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行的條件是高溫條件下，
故答案為：3C（s）+Al₂O₃（s）+N₂（g）=2AlN（s）+3CO（g）△H=+1026KJ/mol/L；高溫；
（2）①A．圖象中，二氧化碳先增大是反應(yīng)正向進(jìn)行，到一定溫度達(dá)到平衡狀態(tài)，升溫平衡逆向進(jìn)行，二氧化碳轉(zhuǎn)化率隨溫度升高減小，平衡說明正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，△H₄小于零，故A正確；
B．圖象2分析可知，圖象變化趨勢隨溫度升高到400°C以上，CH₄和CO選擇性受溫度影響甲烷減小，一氧化碳增大，溫度可影響產(chǎn)物的選擇性，故B正確；
C．二氧化碳轉(zhuǎn)化率先增大是反應(yīng)正向進(jìn)行未達(dá)到平衡狀態(tài)，達(dá)到平衡狀態(tài)，隨溫度升高二氧化碳轉(zhuǎn)化率減小，故C錯(cuò)誤；
D．CO₂和H₂混和氣體（體積比1：4，總物質(zhì)的量a mol）進(jìn)行反應(yīng)，將CO₂和H₂的初始體積比改變?yōu)?：3，二氧化碳轉(zhuǎn)化率減小，故D錯(cuò)誤；
故答案為：CD；
②在常壓、Ru/TiO₂催化下，CO₂和H₂混和氣體（體積比1：4，總物質(zhì)的量a mol）進(jìn)行反應(yīng)，350℃時(shí)，反應(yīng)Ⅰ在t₁時(shí)刻達(dá)到平衡，平衡時(shí)容器體積為VL，二氧化碳轉(zhuǎn)化率為80%                         CO₂（g）+4H₂（g）?CH₄（g）+2H₂O（g）
起始量（mol）      0.2a           0.8a             0                 0
變化量（mol）     0.16a           0.64a          0.16a           0.32a
平衡量（mol）     0.04a           0.16a          0.16a            0.32a
平衡常數(shù)K=$\frac{\frac{0.16a}{V}×（\frac{0.32a}{V}）^{2}}{\frac{0.04a}{V}×（\frac{0.16a}{V}）^{4}}$=$\frac{625{V}^{2}}{{a}^{2}}$，
故答案為：$\frac{625{V}^{2}}{{a}^{2}}$；
③反應(yīng)為放熱反應(yīng)，升溫平衡逆向進(jìn)行，二氧化碳轉(zhuǎn)化率減小，圖中分析可知接近72.5%，甲烷物質(zhì)的量減小小于350°C時(shí)甲烷物質(zhì)的量，達(dá)到平衡所需要時(shí)間縮短                      
                        CO₂（g）+4H₂（g）?CH₄（g）+2H₂O（g）
起始量（mol）      0.2a           0.8a             0                 0
變化量（mol）     0.145a        0.58 a          0.145a          0.29a
平衡量（mol）      0.055          0.22a          0.145a          0.29a
畫出圖象，達(dá)到平衡狀態(tài)甲烷 0.145a  mol，升溫加快反應(yīng)速率，達(dá)到平衡所需時(shí)間縮短，得到圖象為，
故答案為：；
（3）CO₂可以在堿性水溶液中電解生成甲烷，結(jié)合電荷守恒和原子守恒，用氫氧根離子濃度配平電荷守恒得到電極反應(yīng)為：CO₂+6H₂O+8e^-═CH₄+8OH^-，
故答案為：CO₂+6H₂O+8e^-═CH₄+8OH^-．

點(diǎn)評(píng) 本題考查了熱化學(xué)方程式書寫方法、影響化學(xué)平衡因素分析、圖象的理解和應(yīng)用、平衡常數(shù)計(jì)算、電解池電極反應(yīng)書寫，主要是影響因素對(duì)化學(xué)平衡影響的圖象繪制，掌握基礎(chǔ)是解題關(guān)鍵，題目難度較大．