Question

14．二氧化碳的捕集、利用是我國能源領(lǐng)域的一個重要戰(zhàn)略方向．
（1）科學(xué)家提出由CO₂制取C的太陽能工藝如圖1所示．
①若“重整系統(tǒng)”發(fā)生的反應(yīng)中$\frac{n（FeO）}{n（C{O}_{2}）}$=6，則Fe_xO_y的化學(xué)式為Fe₃O₄．
②“熱分解系統(tǒng)”中每分解1molFe_xO_y，轉(zhuǎn)移電子的物質(zhì)的量為2mol．
（2）工業(yè)上用CO₂和H₂反應(yīng)合成甲醚．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，上述合成甲醚的反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)后，若改變反應(yīng)的某一個條件，下列變化能說明平衡一定向正反應(yīng)方向移動的是b（填字母）．
a．逆反應(yīng)速率先增大后減小       b．H₂的轉(zhuǎn)化率增大
c．反應(yīng)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，合成甲醚的反應(yīng)在不同溫度、不同投料比時，CO₂的轉(zhuǎn)化率如圖2所示．T₁溫度下，將6molCO₂和12molH₂充入2L的密閉容器中，5min后反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，則0～5min內(nèi)
的平均反應(yīng)速率v（CH₃OCH₃）=0.18mol•L^-1•min^-1；K_A、K_B、K_C三者之間的大小關(guān)系為K_A=K_C＞K_B．

（4）常溫下，用氨水吸收CO₂可得到NH₄HCO₃溶液，在NH₄HCO₃溶液中，c（NH${\;}_{4}^{+}$）＞c（HCO${\;}_{3}^{-}$）（填“＞”、“＜”或“=”）；反應(yīng)NH${\;}_{4}^{+}$+HCO${\;}_{3}^{-}$+H₂O?NH₃•H₂O+H₂CO₃的平衡常數(shù)K=1.25×10^-3．（已知常溫下NH₃•H₂O的電離平衡常數(shù)K_b=2×10^-5，H₂CO₃的電離平衡常數(shù)K₁=4×10^-7，K₂=4×10^-11）
（5）現(xiàn)以H₂與O₂、熔融鹽Na₂CO₃組成的燃料電池（如圖3所示，其中Y為CO₂）裝置進(jìn)行電解．
寫出石墨I(xiàn)電極上發(fā)生反應(yīng)的電極反應(yīng)式：H₂-2e^-+CO₃^2-═CO₂+H₂O．
在電解池中生成N₂O₅的電極反應(yīng)式為：N₂O₄+2HNO₃-2e^-=2N₂O₅+2H⁺．

Answer 1

分析 （1）①由示意圖可知，重整系統(tǒng)中CO₂和FeO反應(yīng)生成Fe_xO_y和C，根據(jù)原子守恒確定Fe_xO_y的化學(xué)式；
②熱分解系統(tǒng)中是Fe_xO_y分解為FeO與氧氣，根據(jù)Fe元素化合價變價計算轉(zhuǎn)移電子；
（2）已知：①．CO₂（g）+3H₂（g）═CH₃OH（g）+H₂O（g）△H₁=-53.7kJ•mol^-1
②．CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）═2CH₃OH（g）△H₂=+23.4kJ•mol^-1
根據(jù)蓋斯定律，①×2-②可得：2CO₂（g）+6H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+3H₂O（g），則△H₃=2△H₁-△H₂；
（3）①a．逆反應(yīng)速率先增大后減小，可能是增大生成物濃度；
b．H₂的轉(zhuǎn)化率增大，平衡一定正向移動；
c．反應(yīng)物的體積百分含量減小，可能是增大生成物濃度等；
d．容器中的$\frac{n（C{O}_{2}）}{n（{H}_{2}）}$值變小，可能是減小二氧化碳的物質(zhì)的量；
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(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)時二氧化碳轉(zhuǎn)化率為60%，則生成CH₃OCH₃0為6mol×60%×$\frac{1}{2}$=1.8mol，根據(jù)平均反應(yīng)速率v（CH₃OCH₃）=$\frac{△c}{△t}$；根據(jù)平衡常數(shù)僅與溫度有關(guān)，溫度不變，平衡常數(shù)不變，在相同投料比時，T₁溫度下二氧化碳轉(zhuǎn)化率大，所以T₁溫度下較T₂溫度下正向進(jìn)行程度大；
（4）根據(jù)鹽類水解規(guī)律，已知NH₃．H₂O的電離平衡常數(shù)K=2×10^-5，H₂CO₃的電離平衡常數(shù)K₁=4×10^-7，K₂=4×10^-11，越弱越水解判斷；反應(yīng)NH₄⁺+HCO₃^-+H₂O═NH₃．H₂O+H₂CO₃的平衡常數(shù)K=$\frac{c（N{H}_{3}•{H}_{2}O）c（{H}_{2}C{O}_{3}）}{c（N{{H}_{4}}^{+}）c（HC{{O}_{3}}^{-}）}$=$\frac{c（{H}^{+}）c（O{H}^{-}）}{K（N{H}_{3}•{H}_{2}O）{K}_{1}}$進(jìn)行計算；
（5）燃料原電池中，負(fù)極上燃料失電子發(fā)生氧化反應(yīng)；先根據(jù)化合價判斷生成N₂O₅的電極，再根據(jù)離子的放電順序?qū)懗鲭姌O反應(yīng)式．

解答 解：（1）①由示意圖可知，重整系統(tǒng)中CO₂和FeO反應(yīng)生成Fe_xO_y和C，發(fā)生的反應(yīng)中$\frac{n（FeO）}{n（C{O}_{2}）}$=6，根據(jù)Fe原子、O原子守恒可知x：y=6：（6+2）=3：4，故Fe_xO_y的化學(xué)式為Fe₃O₄，
故答案為：Fe₃O₄；
②熱分解系統(tǒng)中是Fe₃O₄分解為FeO與氧氣，分解l mol Fe₃O₄轉(zhuǎn)移電子的物質(zhì)的量為1mol×3×（$\frac{8}{3}$-2）=2mol，
故答案為：2mol；
（2）已知：①．CO₂（g）+3H₂（g）═CH₃OH（g）+H₂O（g）△H₁=-53.7kJ•mol^-1
②．CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）═2CH₃OH（g）△H₂=+23.4kJ•mol^-1
根據(jù)蓋斯定律，①×2-②可得：2CO₂（g）+6H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+3H₂O（g），△H₃=2△H₁-△H₂=2×（-53.7kJ•mol^-1）-23.4kJ•mol^-1=-130.8kJ•mol^-1，
故答案為：-130.8；
（3）①a．逆反應(yīng)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a錯誤；
b．H₂的轉(zhuǎn)化率增大，平衡一定正向移動，故b正確；
c．反應(yīng)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c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(zhì)的量，平衡逆向移動，故d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(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)時二氧化碳轉(zhuǎn)化率為60%，則生成CH₃OCH₃0為6mol×60%×$\frac{1}{2}$=1.8mol，所以平均反應(yīng)速率v（CH₃OCH₃）=$\frac{\frac{1.8mol}{2L}}{5min}$=0.18mol•L^-1•min^-1 ；
平衡常數(shù)僅與溫度有關(guān)，溫度不變，平衡常數(shù)不變，所以K_A=K_C，在相同投料比時，T₁溫度下二氧化碳轉(zhuǎn)化率大，所以T₁溫度下正向進(jìn)行程度故T₂溫度大，則K_A=K_C＞K_B，
故答案為：0.18 mol/（L•min）；K_A=K_C＞K_B；
 （4）根據(jù)鹽類水解規(guī)律，已知NH₃．H₂O的電離平衡常數(shù)K=2×10^-5，H₂CO₃的電離平衡常數(shù)K₁=4×10^-7，K₂=4×10^-11，所以碳酸氫根的水解程度更大，所以NH₄HCO₃顯堿性；在NH₄HCO₃溶液中，c（NH${\;}_{4}^{+}$）＞c（HCO${\;}_{3}^{-}$ ），反應(yīng)NH₄⁺+HCO₃^-+H₂O═NH₃．H₂O+H₂CO₃的平衡常數(shù)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）燃料原電池中，負(fù)極上燃料失電子和碳酸根離子反應(yīng)生成二氧化碳和水，電極反應(yīng)式為H₂+CO₃^2--2e^-=CO₂+H₂O；
N₂O₅中氮元素的化合價是+5價，而硝酸中氮元素也是+5價．因此應(yīng)該在左側(cè)生成N₂O₅，即在陽極區(qū)域生成，據(jù)電極反應(yīng)離子放電順序可知：陰極發(fā)生2H⁺+2e^-=H₂↑的反應(yīng)，則陽極為N₂O₄+2HNO₃-2e^-=2N₂O₅+2H⁺，
故答案為：H₂-2e^-+CO₃^2-═CO₂+H₂O；N₂O₄+2HNO₃-2e^-=2N₂O₅+2H⁺．

點評 本題考查化學(xué)平衡計算與影響因素、蓋斯定律的應(yīng)用、對圖象分析提取信息能力、原電池和電解池的工作原理及圖象的分析等，較好的考查學(xué)生對知識的遷移應(yīng)用，題目難度中等．