Question

5．二氧化碳的捕集、利用是我國能源領域的一個重要戰(zhàn)略方向．

（1）科學家提出由CO₂制取C的太陽能工藝如圖1所示．
若“重整系統”發(fā)生的反應中$\frac{{n（{FeO}）}}{{n（{C{O_2}}）}}$=6，則Fe_xO_y的化學式為Fe₃O₄．
（2）工業(yè)上用CO₂和H₂反應合成二甲醚．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達到平衡狀態(tài)后，若改變反應的某一個條件，下列變化能說明平衡一定向正反應方向移動的是b（填代號）．
a．逆反應速率先增大后減小b．H₂的轉化率增大
c．反應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在某壓強下，合成二甲醚的反應在不同溫度、不同投料比時，CO₂的轉化率如圖2所示．
T₁溫度下，將6mol CO₂和12mol H₂充入2L的密閉容器中，5min后反應達到平衡狀態(tài)，則0～5min內的平均反應速率v（CH₃OCH₃）=0.18mol•L^-1•min^-1
③上述合成二甲醚的過程中提高CO₂的轉化率可采取的措施有增大壓強、降低溫度（回答2點）．
（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NH₄⁺+HCO₃^-+H₂O?NH₃•H₂O+H₂CO₃的平衡常數K=1.25×10^-3．（已知常溫下NH₃•H₂O的電離平衡常數K_b=2×10^-5mol•L^-1，H₂CO₃的電離平衡常數K₁=4×10^-7mol•L^-1，K₂=4×10^-11mol•L^-1）
（5）據報道以二氧化碳為原料采用特殊的電極電解強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．電解時其中b極上生成乙烯的電極反應式為2CO₂+12H⁺+12e^-=C₂H₄+4H₂O．

Answer 1

分析 （1）由示意圖可知，重整系統中CO₂和FeO反應生成Fe_xO_y和C，根據原子守恒確定Fe_xO_y的化學式；（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
根據蓋斯定律，①×2-②可得：2CO₂（g）+6H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+3H₂O（g），據此計算；
（3）①根據影響化學平衡的因素分析各選項；
②T₁溫度下，將6molCO₂和12molH₂充入2L的密閉容器中，由圖象可知，5min后反應達到平衡狀態(tài)時二氧化碳轉化率為60%，則生成CH₃OCH₃0為6mol×60%×$\frac{1}{2}$=1.8mol，根據平均反應速率v=$\frac{△c}{△t}$計算；
③根據反應2CO₂（g）+6H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+3H₂O（g）為放熱反應、氣體體積減小，提高CO₂的轉化率的方法有增大壓強、降低溫度，從圖可知投料比越大，轉化越大；
（4）根據鹽類水解規(guī)律，已知NH₃．H₂O的電離平衡常數K=12×10^-5，H₂CO₃的電離平衡常數K₁=4×10^-7，K₂=4×10^-11，越弱越水解判斷；反應NH₄⁺+HCO₃^-+H₂O═NH₃．H₂O+H₂CO₃的平衡常數K=$\frac{c（N{H}_{3}•{H}_{2}O）c（{H}_{2}C{O}_{3}）}{c（N{{H}_{4}}^{+}）c（HC{{O}_{3}}^{-}）}$=$\frac{c（{H}^{+}）c（O{H}^{-}）}{K（N{H}_{3}•{H}_{2}O）{K}_{1}}$計算；
（5）太陽能電池為電源，電解強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，重整系統中CO₂和FeO反應生成Fe_xO_y和C，發(fā)生的反應中$\frac{n（FeO）}{n（C{O}_{2}）}$=6，根據Fe原子、O原子守恒可知x：y=6：（6+2）=3：4，故Fe_xO_y的化學式為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．逆反應速率先增大后減小，可能是增大生成物濃度，平衡逆向移動，故錯誤；
b．H₂的轉化率增大，平衡一定正向移動，故正確；
c．反應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，故錯誤；
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的量，平衡逆向移動，故錯誤；
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后反應達到平衡狀態(tài)時二氧化碳轉化率為60%，則生成CH₃OCH₃0為6mol×60%×$\frac{1}{2}$=1.8mol，所以平均反應速率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2CO₂（g）+6H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+3H₂O（g）為放熱反應、氣體體積減小，提高CO₂的轉化率，要求反應正向移動，方法有增大壓強、降低溫度，從圖可知投料比越大，CO₂的轉化率也越大；
故答案為：增大投料比、增大壓強、降低溫度等；
（4）根據鹽類水解規(guī)律，已知NH₃．H₂O的電離平衡常數K=2×10^-5，H₂CO₃的電離平衡常數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NH₄⁺+HCO₃^-+H₂O═NH₃．H₂O+H₂CO₃的平衡常數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，二氧化碳在b極上生成乙烯，電極反應式為2CO₂+12H⁺+12e^-=C₂H₄+4H₂O；
故答案為：2CO₂+12H⁺+12e^-=C₂H₄+4H₂O．

點評 本題考查化學平衡計算與影響因素、蓋斯定律的應用、溶液的平衡以及原電池反應等知識，較為綜合，考查對圖象分析提取信息能力等，為高考常見題型，題目難度中等．