Question

3．对温室气体二氧化碳的研究一直是科技界关注的重点．
I．在催化剂存在下用H₂还原CO₂是解决温室效应的重要手段之一，相关反应如下：主反应：CO₂（g）+4H₂（g）=CH₄（g）+2H₂O（g）△H₁ ①
副反应：CO₂（g）+H₂（g）=CO（g）+H₂O（g）△H₂=+41.2kJ/mol
已知H₂和CH₄的燃烧热分别为-285.5kJ•mol^-1和-890.0kJ•mol^-1
H₂O（l）=H₂O（g）△H₃=+44kJ•mol^-1
（1）△H₁=-164kJ•mol^-1．
（2）有利于提高CH₄平衡产率的反应条件是（至少写两条）降低温度，增大压强．工业上提高甲烷反应透择性的关键因素是催化剂．
（ 3 ） T℃时，若在体积恒为2L的密闭容器中同时发生上述反应，将物质的量之和为5mol的H₂和CO₂以不同的投料比进行反应，结果如用所示．若a、b表示反应物的转化率，则表示H₂转化率的是b，c、d分别表示CH₄（g）和CO（g）的体积分数，由图1可知$\frac{n（{H}_{2}）}{n（C{O}_{2}）}$=4时，甲烷产率最高．若该条件下CO的产率趋于0，则T℃时①的平衡常数K=100．

II．溶于海水的CO₂95%以HCO₃^-形式存在．在海洋中，通过如图2钙化作用实现碳自净．
（4）写出写出钙化作用的离子方程式2HCO₃^-+Ca²⁺=CaCO₃↓+CO₂↑+H₂O．
（5）如图3，电解完成后，a室的pH值几乎不变（“变大”、“变小”或“几乎不变”）；其间b室发生反应的离子方程式为H⁺+HCO₃^-=CO₂↑+H₂O．

Answer 1

分析 （1）已知：H₂和CH₄的燃烧热分别为-285.5kJ•mol^-1和-890.0kJ•mol^-1，可知热化学方程式
a．H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=H₂O（1）△H=-285.5kJ•mol^-1，
b．CH₄（g）+2O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（1）△H=-890.0kJ•mol^-1，
c．H₂O（1）═H₂O（g）△H₃=44.0kJ•mol^-1，4a+2c-b得，CO₂（g）+4H₂（g）=CH₄（g）+2H₂O（g）△H₁=-164.0kJ•mol^-1，据此进行分析；
（2）据平衡移动分析；催化剂能加快化学反应速率，故工业上提高甲烷反应透择性的关键因素是催化剂；
（3）反应物有两种以上的，增大一种反应物浓度可以提高另一种反应物的转化率，本身转化率降低；由图可知，横坐标为$\frac{n（{H}_{2}）}{n（C{O}_{2}）}$=4时，反应物的转化率为80%；据K=$\frac{{c}^{2}（{H}_{2}O）c（C{H}_{4}）}{c（C{O}_{2}）{c}^{4}（{H}_{2}）}$进行计算；
（4）由图可知：此过程碳酸氢根转化生成碳酸钙，据此书写方程式；
（5）a室为阳极，发生的电极反应为2H₂O-4e^-=O₂↑+4H⁺，阳极室中反应产生的H⁺通过质子交换膜进入阴极室与OH^-恰好反应生成水，所以阴极室中电解前后溶液的pH不变；其间b室发生反应的离子方程式为H⁺+HCO₃^-=CO₂↑+H₂O，据此进行分析．

解答 解：（1）已知：H₂和CH₄的燃烧热分别为-285.5kJ•mol^-1和-890.0kJ•mol^-1，可知热化学方程式
a．H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=H₂O（1）△H=-285.5kJ•mol^-1，
b．CH₄（g）+2O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（1）△H=-890.0kJ•mol^-1，
c．H₂O（1）═H₂O（g）△H₃=44.0kJ•mol^-1，4a+2c-b得，CO₂（g）+4H₂（g）=CH₄（g）+2H₂O（g）△H₁=-164.0kJ•mol^-1，
故答案为：-164；
（2）CO₂（g）+4H₂（g）=CH₄（g）+2H₂O（g）△H₁=-164.0kJ•mol^-1，有利于提高CH₄平衡产率，即平衡正向移动，故条件是降低温度或增大压强；催化剂能加快化学反应速率，故工业上提高甲烷反应透择性的关键因素是催化剂，
故答案为：降低温度，增大压强；催化剂；
（3）反应物有两种以上的，增大一种反应物浓度可以提高另一种反应物的转化率，本身转化率降低，依据图象可知，b曲线为氢气转化率曲线；
由图可知，横坐标为$\frac{n（{H}_{2}）}{n（C{O}_{2}）}$=4时，甲烷的体积分数最大；
由图象分析得a为CO₂，b为H₂，c为CH₄，
                 CO₂（g）+4H₂（g）=CH₄（g）+2H₂O（g）
开始（c）     0.5            2             0                  0
变化             0.4           1.6            0.4               0.8
平衡             0.1           0.4             0.4              0.8
K=$\frac{{c}^{2}（{H}_{2}O）c（C{H}_{4}）}{c（C{O}_{2}）{c}^{4}（{H}_{2}）}$=$\frac{0．{8}^{2}×0.4}{0.1×0．{4}^{4}}$=100，
故答案为：b；4；100；
（4）反应物中含有碳酸氢根，生成物为碳酸钙，依据元素守恒以及电荷守恒得出方程式为：
2HCO₃^-+Ca²⁺=CaCO₃↓+CO₂↑+H₂O，
故答案为：2HCO₃^-+Ca²⁺=CaCO₃↓+CO₂↑+H₂O；
（5）a室为阳极，发生的电极反应为2H₂O-4e^-=O₂↑+4H⁺，阳极室中反应产生的H⁺通过质子交换膜进入阴极室与OH^-恰好反应生成水，所以阴极室中电解前后溶液的pH不变；其间b室发生反应的离子方程式为H⁺+HCO₃^-=CO₂↑+H₂O，
故答案为：几乎不变；H⁺+HCO₃^-=CO₂↑+H₂O．

点评 本题考查反应热的计算，平衡的移动，平衡常数的计算，离子方程式的书写，以及利用电极方程式判断溶液pH的变化，本题难度中等．