Question

4．大气中CO₂含量的增加会加剧温室效应，为减少其排放，需将工业生产中产生的CO₂分离出来进行储存和利用．
（1）CO₂与NH₃反应可合成化肥尿素[化学式为CO（NH₂）₂]，反应2NH₃（g）+CO₂（g）?CO（NH₂）₂（l）+H₂O（g） 在合成塔中进行．图1中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三条曲线为合成塔中按
不同氨碳比[n（NH₃）/n（CO₂）]和水碳比[n（H₂O）/n（CO₂）]投料时二氧化碳转化率的情况．
①曲线Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ水碳比的数值范围分别为0.6～0.7、1～1.1和1.5～1.61，则生产中应选用水碳比的数值范围为0.6～0.7．
②请推测生产中氨碳比控制在4.0左右还是控制在4.5左右比较适宜，并简述你的理由4.0比较适宜，氨碳比在4.5时，NH₃的量增大较多，而CO₂的转化率增加不大，提高了生产成本．

（2）CO₂与H₂也可用于合成甲醇：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）．在体积可变的恒压密闭容器中，该反应在不同温度、不同投料比时，CO₂的平衡转化率如图2所示．
①该反应的化学平衡常数的表达式为K=$\frac{c（CH{\;}_{3}OH）c（H{\;}_{2}O）}{c（CO{\;}_{2}）c（H{\;}_{2}）{\;}^{3}}$．
②该反应的△S＜0，△H＜0（填“＞”或“＜”）．
③700K投料比[n（H₂）：n（CO₂）]=2时，H₂的平衡转化率为45%．
（3）固体氧化物电解池（SOEC）用于高温电解CO₂/H₂O，既可高效制备合成气（CO+H₂），又可实现CO₂的减排，其工作原理如图3．

①在c极上反应分两步进行：首先水电解产生氢气，然后氢气与CO₂反应产生CO．
写出电极c上发生的电极反应式：H₂O+2e^-=H₂+O^2-．
②若电解得到的1：1的合成气（CO+H₂），则通入的CO₂和H₂O物质的量比值为1：2．
（4）以TiO₂/Cu₂Al₂O₄为催化剂，可以将CO₂和CH₄直接转化成乙酸．在不同温度下催化剂的催化效率与乙酸的生成速率的关系见图4．如何解释图4中250-400℃时温度升高与乙酸的生成速率变化的关系？在250-300℃过程中，催化剂是影响速率的主要因素，因此催化效率的降低，导致反应速率也降低；而在300-400℃时，催化效率低且变化程度较小，但反应速率增加较明显，因此该过程中温度是影响速率的主要因素，温度越高，反应速率越大．

Answer 1

分析 （1）①依据反应转化率的大小分析，结合图象分析判断；
②氨碳比在4.5时氨气量增大对二氧化碳的转化率增加不大；
（2）①根据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进行书写；
②根据反应前后气体的物质的量大小判断△S，根据温度对平衡的影响分析△H；
③由图可知，在700K，投料比[n（H₂）：n（CO₂）]=2时，二氧化碳转化率为30%，令CO₂、H₂的起始物质的量分别为1mol、2mol，转化的二氧化碳为0.3mol，根据方程式可知转化的氢气为0.9mol，进而计算H₂ 的转化率；
（3）水电解产生氢气，电极反应为H₂O+2e^-═H₂+O^2-，后反应为H₂+CO₂═H₂O+CO，根据电极反应式可得电解得到1：1的合成气（CO+H₂）通入的CO₂和H₂O物质的量之比；
（4）在250-300℃过程中，催化剂是影响速率的主要因素，因此催化效率的降低，导致反应速率也降低；而在300-400℃时，催化效率低且变化程度较小，但反应速率增加较明显．

解答 解：（1）①氨碳比相同时曲线Ⅰ二氧化碳的转化率大，所以生产中选用水碳比的数值为0.6～0.7；
故答案为：0.6～0.7；
②氨碳比在4.5时，需要氨气较多，但依据图象分析二氧化碳转化率增大不多，工业合成氨生成工艺较复杂，提高生产成本，所以氨碳比控制在4.0左右；
故答案为：4.0比较适宜；氨碳比在4.5时，NH₃的量增大较多，而CO₂的转化率增加不大，提高了生产成本；
（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，所以平衡常数K=$\frac{c（CH{\;}_{3}OH）c（H{\;}_{2}O）}{c（CO{\;}_{2}）c（H{\;}_{2}）{\;}^{3}}$，故答案为：K=$\frac{c（CH{\;}_{3}OH）c（H{\;}_{2}O）}{c（CO{\;}_{2}）c（H{\;}_{2}）{\;}^{3}}$；
②因为该反应为气体减小的反应，则△S＜0，因为温度越高，CO₂转化率越小，则平衡逆移，所以该反应正方向为放热反应，即△H＜0，故答案为：＜；＜；
③由图可知，在700K，投料比[n（H₂）：n（CO₂）]=2时，二氧化碳转化率为30%，令CO₂、H₂的起始物质的量分别为1mol、2mol，转化的二氧化碳为0.3mol，根据方程式可知转化的氢气为0.9mol，进而计算H₂ 的转化率=$\frac{0.9mol}{2mol}$×100%=45%，
故答案为：45%；
（3）①在c极水电解产生氢气，电极反应为H₂O+2e^-═H₂+O^2-，后反应为H₂+CO₂═H₂O+CO；故答案为：H₂O+2e^-═H₂+O^2-；
②若电解得到的1：1的合成气（CO+H₂），在c极水电解产生氢气，电极反应为H₂O+2e^-═H₂+O^2-，后反应为H₂+CO₂═H₂O+CO，则产生CO消耗等量的H₂，故H₂和CO物质的量比为2：1，所以通入的CO₂和H₂O物质的量比值为1：2；故答案为：1：2；
（4）在250-300℃过程中，催化剂是影响速率的主要因素，因此催化效率的降低，导致反应速率也降低；而在300-400℃时，催化效率低且变化程度较小，但反应速率增加较明显，故答案为：在250-300℃过程中，催化剂是影响速率的主要因素，因此催化效率的降低，导致反应速率也降低；而在300-400℃时，催化效率低且变化程度较小，但反应速率增加较明显，因此该过程中温度是影响速率的主要因素，温度越高，反应速率越大．

点评 本题考查了化学平衡移动原理的应用，电解池电极反应的分析书写以及图象分析等，题目难度中等，培养学生信息应用能力．