Question

【题目】以氧化铝为原料，通过碳热还原法可合成氮化铝（AlN）；通过电解法可制取铝。电解铝时阳极产生的CO2，可通过二氧化碳甲醇化再利用。请回答：

（1）已知：2Al2O3（s）＝4Al（g）+3O2（g）△H1＝+3 351kJmol﹣1

2C（s）+O2（g）＝2CO（g）△H2＝﹣221kJmol﹣1

2Al（g）+N2（g）＝2AlN（s）△H3＝﹣318kJmol﹣1

则碳热还原Al2O3合成氮化铝的总热化学方程式为_____。

（2）在常压，Ru/TiO2催化下，CO2和H2混合气体（体积比1：4，总物质的量a mol）进行反应，测得CO2的转化率、CH4和CO的选择性随温度的变化情况分别如图1和图2所示（选择性：转化的CO2中生成CH4和CO的百分比）。

反应Ⅰ：CO2（g）+4H2（g）CH4（g）+2H2O（g）△H1

反应Ⅱ：CO2（g）+H2（g）CO（g）+H2O（g）△H2

①下列说法不正确的是_____（填序号）。

A．△H1小于零

B．温度可影响产物的选择性

C．CO2的平衡转化率随温度升高先增大后减少

D．其他条件不变将CO2和H2的初始体积比改变为1：3，可提高CO2的平衡转化率

②350℃时，反应Ⅰ在t1时刻达到平衡，平衡时容器的体积为VL．则该温度下反应Ⅰ的平衡常数为____（用a、V表示）。

③350℃时，CH4的物质的量随时间的变化曲线如图所示。画出400℃时，0～t1时间段内，CH4的物质的量随时间的变化曲线。____

（3）CO2和H2在一定条件下发生反应：CO2（g）+3H2（g）CH3OH（g）+H2O（g），平衡常数K＝ ．在容积为2L的密闭容器中，充入2 mol CO2和6 mol H2，恒温恒容时达到平衡。相同条件下，在另一个2 L的密闭容器中充入a mol CO2、b mol H2、c mol CH3OH、d mol H2O（g），要使两容器达到相同的平衡状态，且起始时反应逆向进行，则d的取值范围为_____。

（4）研究表明，CO2可以在硫酸溶液中用情性电极电解生成甲醇，则生成甲醇的电极反应式为_____。

Answer 1

【答案】3C（s）+Al2O3（s）+N2（g）＝2AlN（s）+3CO（g）△H＝△H1× +△H2× +△H3＝+1026 kJmol﹣1　。 CD 1＜d＜2　。 CO2+6H++6e﹣═CH3OH+H2O　。

【解析】

（1）已知：①2Al2O3（s）＝4Al（g）+3O2（g）△H1＝3 351 kJmol﹣1，

②2C（s）+O2（g）＝2CO（g）△H2＝﹣221 kJmol﹣1，

③2Al（g）+N2（g）＝2AlN（s）△H3＝﹣318 kJmol﹣1，

根据盖斯定律①×+②×+③即得到碳热还原Al2O3合成AlN的总热化学方程式是3C（s）+Al2O3（s）+N2（g）＝2AlN（s）+3CO（g）△H＝△H1×+△H2×+△H3＝+1026 kJmol﹣1；

（2）①A、图1中，二氧化碳转化率先增大是反应正向进行，到一定温度达到平衡状态，升温平衡逆向移动，二氧化碳的转化率随温度升高而减小，说明正反应为放热反应，△H4＜0，故A正确；

B、图2分析可知，图中曲线变化趋势随温度升高到400℃以上，CH4和CO选择性受温度影响，甲烷减少，一氧化碳增多，温度可影响产物的选择性，故B正确；

C、二氧化碳转化率先增大是反应正向进行未达到平衡状态，达到平衡状态后随温度升高二氧化碳转化率减小，选故C错误；

D、CO2和H2混和气体（体积比1：4，总物质的量a mol）进行反应，将CO2和H2的初始体积比改变为1：3，二氧化碳的转化率减小，故D错误；

②在常压、Ru/TiO2催化下，CO2和H2混和气体（体积比1：4，总物质的量a mol）进行反应，350℃时，反应Ⅰ在t1时刻达到平衡，平衡时容器体积为VL，二氧化碳的转化率为80%，

CO2（g）+4H2（g）CH4（g）+2H2O（g）

起始（mol） 0.2a 0.8a 0 0

变化（mol） 0.16a 0.64a 0.16a 0.32a

平衡（mol） 0.04a 0.16a 0.16a 0.32a

反应Ⅰ的平衡常数K＝ ；

③反应为放热反应，升高温度平衡逆向移动，二氧化碳的转化率减小，由图分析可知，接近72.5%，甲烷的物质的量减小，小于350℃时甲烷的物质的量，达到平衡所需要时间缩短，

CO2（g）+4H2（g）CH4（g）+2H2O（g）

起始量（mol） 0.2a 0.8a 0 0

变化量（mol） 0.145a 0.58a 0.145a 0.29a

平衡量（mol） 0.055a 0.22a 0.145a 0.29a

达到平衡状态甲烷0.145amol，升高温度加快反应速率，达到平衡所需要时间缩短，据此画出图象为：；

（3）CO2和H2在一定条件下发生反应：CO2（g）+3H2（g）CH3OH（g）+H2O（g），平衡常数K＝ ，在容积为2L的密闭容器中，充入2 mol CO2和6 mol H2，恒温恒容时达到平衡，设平衡时转化的CO2的物质的量为x，

CO2（g）+3H2（g）CH3OH（g）+H2O（g），

初始（mol）2 6 0 0

转化（mol）x 3x x x

平衡（mol）2﹣x 6﹣3x x x

则平衡常数K＝ ＝，解得：x＝1，即平衡时H2O（g）的物质的量为1mol；

相同条件下，在另一个2L的密闭容器中充入a mol CO2、b mol H2、c mol CH3OH、d mol H2O（g），要使两容器达到相同的平衡状态，且起始时反应逆向进行，说明两个平衡互为等效平衡，则必须满足：a：b＝1：3，a+d＝2，c＝d，当反应物只有甲醇和水时，d的物质的量最大，最大为2mol；平衡时水的物质的量为1mol，若要使平衡向逆向移动，则d＞1mol，所以d的范围为：1＜d＜2；

（4）CO2可以在酸性水溶液中电解生成甲醇，结合电荷守恒和原子守恒配平生成甲醇的电极反应式为：CO2+6H++6e﹣═CH3OH+H2O。