Question

2．CO₂和CH₄是两种重要的温室气体，通过CH₄和CO₂反应制造更高价值化学品是目前的研究目标．
（1）250℃时，以镍合金为催化剂，向4L容器中通入6mol CO₂、6mol CH₄，发生如下反应：
CO₂（g）+CH₄（g）?2CO（g）+2H₂（g）．平衡体系中各组分体积分数如下表：

物质	CH4	CO2	CO	H2
体积分数	0.1	0.1	0.4	0.4

①t min内CO₂的平均反应速率为$\frac{1}{t}$mol•L^-1•min^-1．此温度下该反应的平衡常数K=64
②已知：
CH₄（g）+2O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-802.3kJ•mol^-1
CO（g）+H₂O （g）=CO₂（g）+H₂ （g）△H=-41.2kJ•mol^-1
2CO（g）+O₂（g）=2CO₂（g）△H=-566.0kJ•mol^-1
反应CO₂（g）+CH₄（g）?2CO（g）+2H₂（g） 的△H=+247.3kJ•mol^-1
（2）以二氧化钛表面覆盖Cu₂Al₂O₄（难溶于水）为催化剂，可以将CO₂和CH₄直接氧化成乙酸．
①不同温度下催化剂的催化效率与乙酸的生成速率如图所示．250～300℃时，温度升高而乙酸的生成速率降低的原因温度超过250℃时，催化剂的催化效率降低．
②为了提高该反应中CH₄的转化率，可以采取的措施是增大反应压强或增大CO₂的浓度等．（答一条即可）
③将Cu₂Al₂O₄溶解在稀硝酸中的离子方程式为3 Cu₂Al₂O₄+32 H⁺+2 NO₃^-=6 Cu²⁺+6 Al³⁺+2 NO↑+16 H₂O．

Answer 1

分析 （1）向4L容器中通入6mol CO₂、6mol CH₄，设平衡时转化的二氧化碳为xmol，则：
           CO₂（g）+CH₄（g）?2CO（g）+2H₂（g）
起始量（mol）：6       6          0      0
变化量（mol）：x       x          2x      2x
平衡量（mol）：6-x     6-x        2x      2x
平衡时二氧化碳、CO的体积分数分别为0.1、0.4，则2x=4×（6-x），解得x=4，
①根据v=$\frac{△c}{△t}$计算v（CO₂）；平衡常数K=$\frac{{c}^{2}（CO）×{c}^{2}（{H}_{2}）}{c（C{O}_{2}）×c（C{H}_{4}）}$；
②已知：Ⅰ．CH₄（g）+2O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-802.3kJ•mol^-1
Ⅱ．CO（g）+H₂O （g）=CO₂（g）+H₂ （g）△H=-41.2kJ•mol^-1
Ⅲ.2CO（g）+O₂（g）=2CO₂（g）△H=-566.0kJ•mol^-1
根据盖斯定律，Ⅰ+Ⅱ×2-Ⅲ×2可得：CO₂（g）+CH₄（g）?2CO（g）+2H₂（g），焓变也进行相应计算；
（2）发生反应：CO₂（g）+CH₄（g）$\stackrel{催化剂}{→}$CH₃COOH（g），
①催化剂活性受温度影响，温度超过250℃时，催化剂的催化效率降低；
②为了提高该反应中CH₄的转化率，可以增大压强或增大二氧化碳浓度、将生成乙酸移走等；
③将Cu₂Al₂O₄中Cu为+1甲，溶解在稀硝酸中生成硝酸铜、硝酸铝、NO与水．

解答 解：（1）向4L容器中通入6mol CO₂、6mol CH₄，设平衡时转化的二氧化碳为xmol，则：
           CO₂（g）+CH₄（g）?2CO（g）+2H₂（g）
起始量（mol）：6       6         0       0
变化量（mol）：x       x         2x      2x
平衡量（mol）：6-x     6-x       2x      2x
平衡时二氧化碳、CO的体积分数分别为0.1、0.4，则2x=4×（6-x），解得x=4，
①v（CO₂）=$\frac{\frac{4mol}{4L}}{tmin}$=$\frac{1}{t}$mol/（L．min）；平衡常数K=$\frac{{c}^{2}（CO）×{c}^{2}（{H}_{2}）}{c（C{O}_{2}）×c（C{H}_{4}）}$=$\frac{（\frac{8}{4}）^{2}×（\frac{8}{4}）^{2}}{\frac{2}{4}×\frac{2}{4}}$=64，
故答案为：$\frac{1}{t}$mol/（L．min）；64；
②已知：Ⅰ．CH₄（g）+2O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-802.3kJ•mol^-1
Ⅱ．CO（g）+H₂O （g）=CO₂（g）+H₂ （g）△H=-41.2kJ•mol^-1
Ⅲ.2CO（g）+O₂（g）=2CO₂（g）△H=-566.0kJ•mol^-1
根据盖斯定律，Ⅰ+Ⅱ×2-Ⅲ×2可得：CO₂（g）+CH₄（g）?2CO（g）+2H₂（g），则△H=-802.3kJ•mol^-1+2×（-41.2kJ•mol^-1）-2×（-566.0kJ•mol^-1）=+247.3 kJ•mol^-1，
故答案为+247.3；
（2）发生反应：CO₂（g）+CH₄（g）$\stackrel{催化剂}{→}$CH₃COOH（g），
①催化剂活性受温度影响，温度超过250℃时，催化剂的催化效率降低，乙酸的生成速率降低，
故答案为：温度超过250℃时，催化剂的催化效率降低；
②为了提高该反应中CH₄的转化率，可以增大压强或增大二氧化碳浓度、将生成乙酸移走等，
故答案为：增大反应压强或增大CO₂的浓度等；
③将Cu₂Al₂O₄中Cu为+1甲，溶解在稀硝酸中生成硝酸铜、硝酸铝、NO与水，反应离子方程式为：3 Cu₂Al₂O₄+32 H⁺+2 NO₃^-=6 Cu²⁺+6 Al³⁺+2 NO↑+16 H₂O，
故答案为：3 Cu₂Al₂O₄+32 H⁺+2 NO₃^-=6 Cu²⁺+6 Al³⁺+2 NO↑+16 H₂O．

点评 本题考查化学平衡计算、反应热计算、反应速率影响条件、化学方程式书写等，侧重考查学生对知识的迁移应用，难度中等．