Question

15．将CH₄、CO₂催化重整为可用的化学品，对缓解能源危机、改善环境意义重大．

（1）以Fe（OH）₃为脱硫剂，通过复分解反应吸收H₂S，产物是H₂O和Fe₂S₃．
（2）过程A主要涉及以下反应：
ⅰ．CH₄（g）+CO₂（g）?2CO（g）+2H₂（g）△H=+247kJ/mol
ⅱ．CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H=-41kJ/mol
①反应ⅰ的化学平衡常数K随温度的变化关系是K随温度升高而增大．
②分析反应ⅱ对反应ⅰ中CO₂转化率可能的影响并说明理由：消耗CO、反应放热，都能使反应ⅰ的平衡正向移动，提高CO₂的转化率；生成CO₂使反应ⅰ的平衡正向移动，但降低CO₂的转化率；生成H₂使反应ⅰ的平衡逆向移动，降低CO₂的转化率（写出一种即可）．
（3）某科研团队利用Ni、CaO、Fe₃O₄三种催化剂在850℃下“超干重整”CH₄和CO₂：过程Ⅰ．通入CO₂和
CH₄，所得CO 被吸收，H₂O被分离出体系，如图2所示．过程Ⅱ．H₂O被分离后，向该装置中再通入He气，使催化剂再生并获得CO，如图3所示．
①CH₄和CO₂ 重整为CO、H₂O的热化学方程式是3CO₂（g）+CH₄（g）?4CO（g）+2H₂O（g）△H₂=+329kJ•mol^-1．   
②结合反应方程式简述Fe₃O₄的催化作用过程Ⅰ4CO+Fe₃O₄?3Fe+4CO₂，4H₂+Fe₃O₄?3Fe+4H₂O，Fe₃O₄被还原，过程Ⅱ3Fe+4CO₂?4CO+Fe₃O₄，Fe₃O₄重新生成．
③CaO对Fe₃O₄是否起到催化作用至关重要，实验研究结果如表：

编号	催化剂	是否添加CaO	还原产物
1	Fe3O4	添加	有Fe
2	Fe3O4	不添加	无Fe

运用有关化学原理解释实验结果：过程Ⅰ中存在平衡4CO+Fe₃O₄?3Fe+4CO₂，添加的CaO与CO₂结合成CaCO₃，降低了c（CO₂），使平衡正向移动，所以有Fe生成，使Fe₃O₄催化作用更好．

Answer 1

分析 （1）复分解反应的实质是电解质在溶液中发生的离子间的互换反应；
（2）①升高温度，反应ⅰ的化学平衡正向移动，化学平衡常数K增大；
②从浓度、温度的改变分析化学平衡移动的方向，进而确定反应ⅰ中CO₂转化率；
（3）①ⅰ．CH₄（g）+CO₂（g）?2CO（g）+2H₂（g）△H=+247kJ/mol
ⅱ．CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H=-41kJ/mol，
根据盖斯定律，ⅰ-2×ⅱ可得3CO₂（g）+CH₄（g）?4CO（g）+2 H₂O（g）△H；
②写出过程Ⅰ、Ⅱ涉及的化学方程式，通过方程式分析Fe₃O₄的作用；
③添加的CaO与CO₂结合成CaCO₃，降低了c（CO₂），使过程Ⅰ中反应 4CO+Fe₃O₄?3Fe+4CO₂平衡正向移动．

解答 解：（1）复分解反应的实质是电解质在溶液中发生的离子间的互换反应，各元素的化合价不变，因此Fe（OH）₃与H₂S发生复分解反应的产物应为H₂O和Fe₂S₃，
故答案为：Fe₂S₃；
（2）①反应ⅰ为吸热反应，升高温度，平衡正向移动，化学平衡常数K增大，
故答案为：K随温度升高而增大；
②反应ⅱ消耗CO，降低了反应ⅰ中CO的浓度，使反应ⅰ的平衡正向移动，提高CO₂的转化率；
反应ⅱ放热，升高温度，反应ⅰ的化学平衡正向移动，提高CO₂的转化率；
反应ⅱ生成CO₂，增大了反应ⅰ中CO₂的浓度，使反应ⅰ的平衡正向移动，但降低CO₂的转化率；
反应ⅱ生成H₂，增大了反应ⅰ中H₂的浓度，使反应ⅰ的平衡逆向移动，降低CO₂的转化率，
故答案为：消耗CO、反应放热，都能使反应ⅰ的平衡正向移动，提高CO₂的转化率；生成CO₂使反应ⅰ的平衡正向移动，但降低CO₂的转化率；生成H₂使反应ⅰ的平衡逆向移动，降低CO₂的转化率；
（3）①ⅰ．CH₄（g）+CO₂（g）?2CO（g）+2H₂（g）△H=+247kJ/mol，
ⅱ．CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H=-41kJ/mol，
根据盖斯定律，ⅰ-2×ⅱ可得3CO₂（g）+CH₄（g）?4CO（g）+2 H₂O（g）△H=+247kJ/mol+2×41kJ/mol=+329 kJ•mol^-1，
故答案为：3CO₂（g）+CH₄（g）?4CO（g）+2 H₂O（g）△H₂=+329 kJ•mol^-1；
②过程Ⅰ涉及的化学反应为4CO+Fe₃O₄?3Fe+4CO₂，4H₂+Fe₃O₄?3Fe+4H₂O，Fe₃O₄都是作氧化剂被还原，
过程Ⅱ中涉及的化学反应为3Fe+4CO₂?4CO+Fe₃O₄，Fe₃O₄重新生成，
故答案为：过程Ⅰ4CO+Fe₃O₄?3Fe+4CO₂，4H₂+Fe₃O₄?3Fe+4H₂O，Fe₃O₄被还原，过程Ⅱ3Fe+4CO₂?4CO+Fe₃O₄，Fe₃O₄重新生成；
③CaO对Fe₃O₄是否起到催化作用至关重要，添加CaO时，还原产物有铁，不添加CaO，还原产物无铁，添加的CaO与CO₂结合成CaCO₃，降低了c（CO₂），使过程Ⅰ中反应 4CO+Fe₃O₄?3Fe+4CO₂平衡正向移动，所以有Fe生成，使Fe₃O₄催化作用更好，
故答案为：过程Ⅰ中存在平衡 4CO+Fe₃O₄?3Fe+4CO₂，添加的CaO与CO₂结合成CaCO₃，降低了c（CO₂），使平衡正向移动，所以有Fe生成，使Fe₃O₄催化作用更好．

点评 本题考查反应热的计算和化学平衡的影响因素，综合性较强，题目设置由易到难，掌握盖斯定律、勒夏特列原理是解题的关键，题目难度中等．