Question

12．二氧化碳的捕集、利用与封存（CCUS）是我国能源领域的一个重要战略方向，CCUS或许发展成一项重要的新兴产业．
（1）国外学者提出的由CO₂制取C的太阳能工艺如图1所示
①“热分解系统”发生的反应为2Fe₃O₄$\frac{\underline{\;2300K\;}}{\;}$6FeO+O₂↑，每分解lmolFe₃O₄转移电子的个数为2N_A或1.204×10²⁴．
②“重整系统”发生反应的化学方程式为6FeO（S）+CO₂2Fe₃O₄（S）+C．

（2）二氧化碳催化加氢合成低碳烯烃是目前研究的热门课题，起始时以0.1MPa，n（H₂）：n（CO₂）=3：1的投料比充入反应器中，发生反应：2CO₂（g）+6H₂（g）?C₂H₄（g）+4H₂O（g）；不同温度下平衡时的四种气态物质的物质的量如图2所示：
①曲线b表示的物质为H₂O （写化学式）．
②若平衡时压强为0.08MPa，则CO₂的转化率为53.3%，用电子式表示CO₂分子的形成过程．
（3）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．
①此过程涉及的所有能量转换为：太阳能转化为电能、电能转化为化学能．
②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）①该反应中Fe元素化合价由+3价变为+2价，O元素化合价由-2价变为0价，根据转移电子和Fe₃O₄之间的关系式计算；
②根据图知，反应物是二氧化碳和FeO，生成物的四氧化三铁和C，反应条件是700K；（2）①根据图知，升高温度，氢气物质的量增大，说明平衡逆向移动，则正反应是放热反应；a曲线随着温度升高，物质的量增大，为二氧化碳，b、c随着温度升高其物质的量降低，为生成物水、乙烯，但水的变化量大于乙烯，据此判断b曲线代表物质；
②压强之比等于其物质的量之比，设反应前氢气、二氧化碳物质的量分别是3xmol、xmol，反应后混合气体物质的量=$\frac{（3x+x）mol}{0.1MPa}×0.08MPa$=3.2xmol，反应平衡是气体物质的量减少量=（3x+x-3.2x）mol=0.8xmol，设二氧化碳参加反应的物质的量为ymol，
2CO₂（g）+6H₂（g）?C₂H₄（g）+4H₂O（g）减少
2mol                                 3mol
ymol                                  0.8xmol
则：2mol：3mol=ymol：0.8xmol，解得y=$\frac{1.6x}{3}$，进而计算二氧化碳转化率；
C、O原子之间通过共用电子对形成二氧化碳共价化合物；
（3）①太阳能电池中光能转化为电能，电解强酸性的二氧化碳水溶液得到乙烯，电能转化为化学能；
②电解时，二氧化碳在b极上得电子发生还原反应生成乙烯．

解答 解：（1）①该反应中Fe元素化合价由+3价变为+2价，O元素化合价由-2价变为0价，分解2mol四氧化三铁转移4mol电子，则分解1mol四氧化三铁转移2mol电子，转移电子个数为2N_A或1.204×10²⁴，故答案为：2N_A或1.204×10²⁴；
②根据图知，反应物是二氧化碳和FeO，生成物的四氧化三铁和C，反应条件是700K，反应方程式为6FeO（S）+CO₂2Fe₃O₄（S）+C，
故答案为：6FeO（S）+CO₂2Fe₃O₄（S）+C；
（2）①根据图知，升高温度，氢气物质的量增大，说明平衡逆向移动，则正反应是放热反应；a曲线随着温度升高，物质的量增大，为二氧化碳，b、c随着温度升高其物质的量降低，为生成物水、乙烯，但水的变化量大于乙烯，所以b曲线代表H₂O，故答案为：H₂O；
②压强之比等于其物质的量之比，设反应前氢气、二氧化碳物质的量分别是3xmol、xmol，反应后混合气体物质的量=$\frac{（3x+x）mol}{0.1MPa}×0.08MPa$=3.2xmol，反应平衡是气体物质的量减少量=（3x+x-3.2x）mol=0.8xmol，
设二氧化碳参加反应的物质的量为ymol，
2CO₂（g）+6H₂（g）?C₂H₄（g）+4H₂O（g）减少
2mol                                3mol
ymol                               0.8xmol
则2mol：3mol=ymol：0.8xmol，解得y=$\frac{1.6x}{3}$，故二氧化碳转化率=$\frac{\frac{1.6x}{3}mol}{xmol}×100%$=53.3%；
C、O原子之间通过共用电子对形成二氧化碳共价化合物，其形成过程为，
故答案为：53.3%；；
（3）①太阳能电池中光能转化为电能，电解强酸性的二氧化碳水溶液得到乙烯，电能转化为化学能，
故答案为：太阳能转化为电能、电能转化为化学能；
②电解时，二氧化碳在b极上得电子发生还原反应生成乙烯，电极反应式为2CO₂+12H⁺+12e^-=C₂H₄+4H₂O，
故答案为：2CO₂+12H⁺+12e^-=C₂H₄+4H₂O．

点评 本题考查原电池和电解池原理、化学平衡计算、氧化还原反应有关计算，为高频考点，注意四氧化三铁中Fe元素化合价，难点是电极反应式的书写，题目难度不大．