Question

5．CO₂和CH₄是兩種重要的溫室氣體，通過CH₄和CO₂反應(yīng)制造更高價值產(chǎn)品是目前的研究目標．
（1）250℃時，以鎳合金為催化劑，向4L容器中通入6molCO₂、6molCH₄，發(fā)生反應(yīng)：CO₂（g）+CH₄（g）?2CO（g）+2H₂（g）．平衡體系中各組分物質(zhì)的量如表：

物質(zhì)	CH4	CO2	CO	H2
物質(zhì)的量mol	2	2	8	8

①此溫度下該反應(yīng)的平衡常數(shù)K=64．
②已知：CH₄（g）+2O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-890.3kJ•mol^-1
       CO（g）+H₂O（g）=CO₂（g）+H₂（g）△H=+2.8kJ•mol^-1
       2CO（g）+O₂（g）=2CO₂（g）△H=-566.0kJ．mol^-1
反應(yīng)CO₂（g）+CH₄（g）?2CO（g）+2H₂（g）的△H=+247.3 kJ•mol^-1．
（2）以二氧化鈦表面覆蓋Cu₂Al₂O₄為催化劑．可以將CO₂和CH₄直接轉(zhuǎn)化為成乙酸．
①在不同溫度下催化劑的催化效果與乙酸的生成速率如圖1所示．250～300℃時，溫度升高而乙酸的生成速率降低的原因是溫度超過250℃時，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，可以采取的措施是縮小體積增大壓強或增大CO₂的濃度．
（3）①Li₂O、Na₂O、MgO均能吸收CO₂．如果尋找吸收CO₂的其他物質(zhì)，下列建議合理的是ab．
a．可在堿性氧化物中尋找
b．可在ⅠA、ⅡA族元素形成的氧化物中尋找
c可在具有強氧化性的物質(zhì)中尋找
②Li₂O吸收CO₂后，產(chǎn)物用于合成Li₄SiO₄用于吸收、釋放CO₂．原理是：在500℃，CO₂與Li₄SiO₄接觸后生成Li₂CO₃和另一種鹽；平衡后加熱至700℃，反應(yīng)逆向進行放出CO₂，Li₄SiO₄再生，寫出CO₂和Li₄SiO₄反應(yīng)的化學方程式CO₂+Li₄SiO₄$\frac{\underline{\;500℃\;}}{\;}$Li₂CO₃+Li₂SiO₃．

（4）反應(yīng)A：CO₂+H₂O$\frac{\underline{\;電解\;}}{高溫}$CO₂+H₂+O₂利用反應(yīng)A可將釋放的CO₂轉(zhuǎn)化為具有工業(yè)利用價值的產(chǎn)品．高溫電解技術(shù)能高效實現(xiàn)反應(yīng)A，工作原理示意圖如圖2．CO₂在電極a放電的反應(yīng)式是CO₂+2e^-═CO+O^2-．

Answer 1

分析 （1）①根據(jù)c=$\frac{n}{V}$計算各物質(zhì)的平衡濃度，代入平衡常數(shù)K=$\frac{{c}^{2}（CO）×{c}^{2}（{H}_{2}）}{c（C{O}_{2}）×c（C{H}_{4}）}$計算；
②根據(jù)蓋斯定律，已知熱化學方程式乘以適當?shù)南禂?shù)進行加減構(gòu)造目標熱化學方程式，反應(yīng)熱也進行相應(yīng)的計算；
（2）①由圖可知，該催化劑在250℃左右時催化劑效率最高；
②提高該反應(yīng)中CH₄的轉(zhuǎn)化率，改變條件應(yīng)使平衡向正反應(yīng)方向移動，注意不能只增大甲烷的濃度，否則甲烷的轉(zhuǎn)化率降低；
（3）①二氧化碳為酸性氣體，Li₂O、Na₂O、MgO均能吸收CO₂，表現(xiàn)為堿性氧化物的性質(zhì)，與氧化性無關(guān)；
②在500℃，CO₂與Li₄SiO₄接觸后生成Li₂CO₃和另一種鹽，該鹽為Li₂SiO₃；
（4）由圖可知，二氧化碳、水分別在a極得到電子發(fā)生還原反應(yīng)生成一氧化碳、氫氣，同時生成氧離子．

解答 解：（1）①平衡時CH₄、CO₂的濃度均為$\frac{2mol}{4L}$=0.5mol/L，CO、H₂的濃度均為$\frac{8mol}{4L}$=2mol/L，故平衡常數(shù)K=$\frac{{c}^{2}（CO）×{c}^{2}（{H}_{2}）}{c（C{O}_{2}）×c（C{H}_{4}）}$=$\frac{{2}^{2}×{2}^{2}}{0.5×0.5}$=64，故答案為：64；
②已知：CH₄（g）+2O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-890.3kJ•mol^-1 ①
      CO（g）+H₂O （g）=CO₂（g）+H₂ （g）△H=+2.8kJ•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）故△H=-890.3kJ•mol^-1+2.8kJ•mol^-1×2+566.0kJ•mol^-1×2=+247.3 kJ•mol^-1，
故答案為：+247.3 kJ•mol^-1；
（2）①由圖可知，該催化劑在250℃左右時催化劑效率最高，溫度超過250℃時，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250℃時，催化劑的催化效率降低；
②提高該反應(yīng)中CH₄的轉(zhuǎn)化率，改變條件應(yīng)使平衡向正反應(yīng)方向移動，正反應(yīng)是氣體體積減小的反應(yīng)，縮小容器體積增大壓強、增大CO₂的濃度，平衡正向移動，反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率增大，
故答案為：縮小體積增大壓強或增大CO₂的濃度；
（3）①二氧化碳為酸性氣體，Li₂O、Na₂O、MgO均能吸收CO₂，表現(xiàn)為堿性氧化物的性質(zhì)，與氧化性無關(guān)，IA、ⅡA族元素可以堿性氧化物，故選：ab；
②在500℃，CO₂與Li₄SiO₄接觸后生成Li₂CO₃和另一種鹽，根據(jù)質(zhì)量守恒可知產(chǎn)物還有Li₂SiO₃，CO₂和Li₄SiO₄反應(yīng)的化學方程式為：CO₂+Li₄SiO₄$\frac{\underline{\;500℃\;}}{\;}$Li₂CO₃+Li₂SiO₃，故答案為：CO₂+Li₄SiO₄$\frac{\underline{\;500℃\;}}{\;}$Li₂CO₃+Li₂SiO₃；
（4）由圖可知，二氧化碳、水分別在a極得到電子發(fā)生還原反應(yīng)生成一氧化碳、氫氣，同時生成氧離子，CO₂在電極a放電的反應(yīng)式是：CO₂+2e^-═CO+O^2-，故答案為：CO₂+2e^-═CO+O^2-．

點評 本題屬于拼合型題目，題目比較綜合，涉及平衡常數(shù)計算、反應(yīng)熱計算、反應(yīng)速率影響因素、化學平衡移動、原電池等，是對學生綜合能力的考查，（4）中電極反應(yīng)式書寫，注意根據(jù)圖示判斷反應(yīng)產(chǎn)物．