Question

13．研究CO₂的利用对促进低碳社会的构建具有重要意义．
（1）将CO₂与焦炭作用生成CO，CO可用于炼铁等．
已知：Fe₂O₃（s）+3C（石墨）═2Fe（s）+3CO（g）△H₁=+489.0kJ•mol^-1；
C（石墨）+CO₂（g）═2CO（g）△H₂=+172.5kJ•mol^-1．
则CO还原Fe₂O₃（s）的热化学方程式为Fe₂O₃（s）+3CO（g）=2Fe（s）+3CO₂（g）△H=-28.5 kJ•mol^-1
（2）二氧化碳合成甲醇是碳减排的新方向，将CO₂转化为甲醇的热化学方程式为
CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H
①该反应的平衡常数表达式为K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）•c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）•{c}^{3}（{H}_{2}）}$．
②取一定体积的CO₂和H₂的混合气体（物质的量之比为1：3），加入恒容密闭容器中，发生上述反应．反应过程中测得甲醇的体积分数φ（CH₃OH）与反应温度T的关系如图（a）所示，则该反应的△H＜0（填“＞”“＜”或“=”）．

③在两种不同条件下发生反应，测得CH₃OH的物质的量随时间的变化关系如图（b）所示，曲线Ⅰ、Ⅱ对应的平衡常数大小关系为K_I＞K_Ⅱ（填“＞”“＜”或“=”）．
（3）以CO₂为原料还可以合成多种物质．
①工业上尿素[CO（NH₂）₂]由CO₂和NH₃在一定条件下合成，其反应方程式为：
2NH₃+CO₂?CO（NH₂）₂+H₂O 当氨碳比$\frac{n（NH3）}{n（CO2）}$=3，达平衡时CO₂的转化率为60%，则NH₃的平衡转化率为40%．
②用硫酸溶液作电解质进行电解，CO₂在电极上可转化为甲烷，该电极反应的方程式为CO₂+8e^-+8H⁺=CH₄+2H₂O．

Answer 1

分析 （1）依据热化学方程式和盖斯定律计算得到所需热化学方程式；
（2）①依据化学方程式和平衡常数概念写出平衡常数表达式；
②由图可知最高点反应到达平衡，到达平衡后，温度越高，φ（CH₃OH）越小，升高温度平衡向逆反应进行，据此判断；
③由图象分析先拐先平，温度高T_Ⅱ先达到平衡则T_Ⅱ＞T_Ⅰ，纵轴是甲醇的物质的量，温度越高，甲醇越少，平衡逆向进行分析判断；
（3）①根据反应物、反应条件、生成物写出化学反应式；利用三段式法计算；
②根据原电池原理，CO₂在正极发生还原反应转化为甲烷，注意电解质溶液为酸性．

解答 解：（1）①Fe₂O₃（s）+3C（石墨）=2Fe（s）+3CO（g）△H₁=+489.0kJ•mol^-1
②C（石墨）+CO₂（g）=2CO（g）△H₂=+172.5kJ•mol^-1
依据盖斯定律①-②×3得到Fe₂O₃（s）+3CO（g）=2Fe（s）+3CO₂（g）△H=-28.5 kJ•mol^-1；
故答案为：Fe₂O₃（s）+3CO（g）=2Fe（s）+3CO₂（g）△H=-28.5 kJ•mol^-1；
（2）①平衡常数等于生成物的浓度幂之积除以反应物的浓度幂之积，所以K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）•c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）•{c}^{3}（{H}_{2}）}$，故答案为：$\frac{c（C{H}_{3}OH）•c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）•{c}^{3}（{H}_{2}）}$；
②由图可知最高点反应到达平衡，达平衡后，温度越高，φ（CH₃OH）越小，平衡向逆反应进行，升高温度平衡吸热方向进行，逆反应为吸热反应，则正反应为放热反应，即△H＜0，
故答案为：＜；
③由图2可知，温度T_Ⅰ＜T_Ⅱ，平衡时，温度越高CO的转化率越小，说明升高温度，平衡向逆反应移动，升高温度平衡向吸热反应移动，故该反应正反应为放热反应，则△H＜0，升高温度，平衡向逆反应移动，所以K_Ⅰ＞K_Ⅱ，
故答案为：＞；
（3）①根据反应物是二氧化碳和氨气（NH₃），反应条件是高温、高压，生成物是尿素[CO（NH₂）₂]和水，化学反应式为2NH₃+CO₂ ?CO（NH₂）₂+H₂O，
设CO₂的初始物质的量为a，则NH₃的初始物质的量为3a，
         2NH₃+CO₂?CO（NH₂）₂+H₂O；
起始/mol 3a    a
转化/mol 1.2a  0.6a
平衡/mol 1.8a  0.4a
平衡时NH₃转化率为：$\frac{1.2a}{3a}$×100%=40%，
故答案为：40%；
②CO₂在正极发生还原反应转化为甲烷，考虑电解质为硫酸，所以甲烷中氢来源为硫酸电离的氢离子，根据化合价变化可知1mol二氧化碳变成甲烷得到8mol电子，故电极反应为：CO₂+8e^-+8H⁺=CH₄+2H₂O，故答案为：CO₂+8e^-+8H⁺=CH₄+2H₂O．

点评 本题考查了热化学方程式的书写、化学平衡移动、平衡常数概念理解、转化率的计算及原电池原理的分析应用等，题目涉及的知识点较多，综合性较强，难度中等．分析图象时，要考虑先拐先平衡的原则，则反应条件为温度高或压强大，写电极反应式一定要考虑介质的参与．