Question

5．二氧化碳的捕集、利用是我国能源领域的一个重要战略方向．

（1）科学家提出由CO₂制取C的太阳能工艺如图1所示．
若“重整系统”发生的反应中$\frac{{n（{FeO}）}}{{n（{C{O_2}}）}}$=6，则Fe_xO_y的化学式为Fe₃O₄．
（2）工业上用CO₂和H₂反应合成二甲醚．已知：
CO₂（g）+3H₂（g）=CH₃OH（g）+H₂O（g）△H₁=-53.7kJ•mol^-1
CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）=2CH₃OH（g）△H₂=+23.4kJ•mol^-1
则2CO₂（g）+6H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+3H₂O（g）△H₃=-130.8kJ•mol^-1
（3）①一定条件下，上述合成二甲醚的反应达到平衡状态后，若改变反应的某一个条件，下列变化能说明平衡一定向正反应方向移动的是b（填代号）．
a．逆反应速率先增大后减小b．H₂的转化率增大
c．反应物的体积百分含量减小d．容器中的$\frac{{n（{C{O_2}}）}}{{n（{H_2}）}}$值变小
②在某压强下，合成二甲醚的反应在不同温度、不同投料比时，CO₂的转化率如图2所示．
T₁温度下，将6mol CO₂和12mol H₂充入2L的密闭容器中，5min后反应达到平衡状态，则0～5min内的平均反应速率v（CH₃OCH₃）=0.18mol•L^-1•min^-1
③上述合成二甲醚的过程中提高CO₂的转化率可采取的措施有增大压强、降低温度（回答2点）．
（4）常温下，用氨水吸收CO₂可得到NH₄HCO₃溶液，在NH₄HCO₃溶液中，c（NH₄⁺）＞c（HCO₃^-）（填“＞”、“＜”或“=”）；反应NH₄⁺+HCO₃^-+H₂O?NH₃•H₂O+H₂CO₃的平衡常数K=1.25×10^-3．（已知常温下NH₃•H₂O的电离平衡常数K_b=2×10^-5mol•L^-1，H₂CO₃的电离平衡常数K₁=4×10^-7mol•L^-1，K₂=4×10^-11mol•L^-1）
（5）据报道以二氧化碳为原料采用特殊的电极电解强酸性的二氧化碳水溶液可得到多种燃料，其原理如图3所示．电解时其中b极上生成乙烯的电极反应式为2CO₂+12H⁺+12e^-=C₂H₄+4H₂O．

Answer 1

分析 （1）由示意图可知，重整系统中CO₂和FeO反应生成Fe_xO_y和C，根据原子守恒确定Fe_xO_y的化学式；（2）已知：①CO₂（g）+3H₂（g）═CH₃OH（g）+H₂O（g）△H₁=-53.7kJ•mol^-1
②CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）═2CH₃OH（g）△H₂=+23.4kJ•mol^-1
根据盖斯定律，①×2-②可得：2CO₂（g）+6H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+3H₂O（g），据此计算；
（3）①根据影响化学平衡的因素分析各选项；
②T₁温度下，将6molCO₂和12molH₂充入2L的密闭容器中，由图象可知，5min后反应达到平衡状态时二氧化碳转化率为60%，则生成CH₃OCH₃0为6mol×60%×$\frac{1}{2}$=1.8mol，根据平均反应速率v=$\frac{△c}{△t}$计算；
③根据反应2CO₂（g）+6H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+3H₂O（g）为放热反应、气体体积减小，提高CO₂的转化率的方法有增大压强、降低温度，从图可知投料比越大，转化越大；
（4）根据盐类水解规律，已知NH₃．H₂O的电离平衡常数K=12×10^-5，H₂CO₃的电离平衡常数K₁=4×10^-7，K₂=4×10^-11，越弱越水解判断；反应NH₄⁺+HCO₃^-+H₂O═NH₃．H₂O+H₂CO₃的平衡常数K=$\frac{c（N{H}_{3}•{H}_{2}O）c（{H}_{2}C{O}_{3}）}{c（N{{H}_{4}}^{+}）c（HC{{O}_{3}}^{-}）}$=$\frac{c（{H}^{+}）c（O{H}^{-}）}{K（N{H}_{3}•{H}_{2}O）{K}_{1}}$计算；
（5）太阳能电池为电源，电解强酸性的二氧化碳水溶液得到乙烯，乙烯在阴极生成．

解答 解：（1）由示意图可知，重整系统中CO₂和FeO反应生成Fe_xO_y和C，发生的反应中$\frac{n（FeO）}{n（C{O}_{2}）}$=6，根据Fe原子、O原子守恒可知x：y=6：（6+2）=3：4，故Fe_xO_y的化学式为Fe₃O₄；
故答案为：Fe₃O₄；
（2）已知：①CO₂（g）+3H₂（g）═CH₃OH（g）+H₂O（g）△H₁=-53.7kJ•mol^-1
②CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）═2CH₃OH（g）△H₂=+23.4kJ•mol^-1
根据盖斯定律，①×2-②可得：2CO₂（g）+6H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+3H₂O（g）△H₃=-130.8kJ•mol^-1；
故答案为：-130.8；
（3）①a．逆反应速率先增大后减小，可能是增大生成物浓度，平衡逆向移动，故错误；
b．H₂的转化率增大，平衡一定正向移动，故正确；
c．反应物的体积百分含量减小，可能是增大生成物浓度，平衡逆向移动，故错误；
d．容器中的$\frac{n（C{O}_{2}）}{n（{H}_{2}）}$变小，可能是减小二氧化碳物质的量，平衡逆向移动，故错误；
故答案为：b；
②T₁温度下，将6molCO₂和12molH₂充入2L的密闭容器中，由图象可知，5min后反应达到平衡状态时二氧化碳转化率为60%，则生成CH₃OCH₃0为6mol×60%×$\frac{1}{2}$=1.8mol，所以平均反应速率v（CH₃OCH₃）=$\frac{1.8mol÷2L}{5min}$=0.18mol•L^-1•min^-1；
故答案为：0.18mol•L^-1•min^-1；
③反应2CO₂（g）+6H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+3H₂O（g）为放热反应、气体体积减小，提高CO₂的转化率，要求反应正向移动，方法有增大压强、降低温度，从图可知投料比越大，CO₂的转化率也越大；
故答案为：增大投料比、增大压强、降低温度等；
（4）根据盐类水解规律，已知NH₃．H₂O的电离平衡常数K=2×10^-5，H₂CO₃的电离平衡常数K₁=4×10^-7，K₂=4×10^-11，所以碳酸氢根的水解程度更大，所以c（NH₄⁺） 大于c（HCO₃^-）；反应NH₄⁺+HCO₃^-+H₂O═NH₃．H₂O+H₂CO₃的平衡常数K=$\frac{c（N{H}_{3}•{H}_{2}O）c（{H}_{2}C{O}_{3}）}{c（N{{H}_{4}}^{+}）c（HC{{O}_{3}}^{-}）}$=$\frac{c（{H}^{+}）c（O{H}^{-}）}{K（N{H}_{3}•{H}_{2}O）{K}_{1}}$=$\frac{1{0}^{-14}}{2×1{0}^{-5}×4×1{0}^{-7}}$=1.25×10^-3；
故答案为：＞；1.25×10^-3；
（5）电解时，二氧化碳在b极上生成乙烯，电极反应式为2CO₂+12H⁺+12e^-=C₂H₄+4H₂O；
故答案为：2CO₂+12H⁺+12e^-=C₂H₄+4H₂O．

点评 本题考查化学平衡计算与影响因素、盖斯定律的应用、溶液的平衡以及原电池反应等知识，较为综合，考查对图象分析提取信息能力等，为高考常见题型，题目难度中等．