Question

5．二氧化碳被认为是加剧温室效应的主要物质，资源化利用二氧化碳不仅可减少温室气体的排放，还可重新获得燃料或重要工业产品．
Ⅰ．有科学家提出可利用FeO吸收和利用CO₂，相关的热化学方程式如下：
6FeO（s）+CO₂（g）═2Fe₃O₄（s）+C（s），△H=-76.0kJ•mol^-1
②3FeO（s）+H₂O（g）═Fe₃O₄（s）+H₂（g）△H=-18.7kJ•mol^-1
（1）在上述反应中①中，每吸收1molCO₂，就有4 molFeO被氧化．
（2）试写出C（s）与水蒸气反应生成CO₂和H₂的热化学方程式C（s）+2H₂O（g）=CO₂（g）+2H₂（g）△H=+38.6kJ/mol
Ⅱ．一定条件下，二氧化碳转化为甲烷．向一容积为2L的恒容密闭容器中充人一定量的CO₂和H₂，在300℃时发生上述反应的反应CO₂（g）+4H₂（g）?CH₄（g）+2H₂O（g）．达到平衡时，各物质的浓度分别为CO₂0.2mol•L^-1、CH₄0.8mol•L^-1、H₂0.8mol•L^-1，H₂O1.6mol•L^-1
（3）在300℃是，将各物质按下列起始浓度（mol•L^-1）加入该反应容器中，达到平衡后，各组分浓度与上述题中描述的平衡浓度相同的是A、D．

选项	CO	H2	CH4	H2O
A	0	0	1	2
B	2	8	0	0
C	1	4	1	.2
D	0.5	2	0.5	1

（4）若保持温度不变，再向该容器内充入与起始量相等的CO₂和H₂，重新达到平衡时，CH₄的浓度D （填字母）．
A．c（CH₄）=0.8mol•L^-1        B.0.8mol•L^-1＞c（CH₄）＞1.6mol•L^-1
C．c（CH₄）=l.6mol•L^-1      D．C（CH₄）＞1.6mol•L^-1
（5）在300℃时，如果向该容器中加入CO₂0.8mol•L^-1、H₂1.0mol•L^-1、CH₄ 2.8mol•L^-1、H₂O 2.0mol•L^-1，则该可逆反应初始时叫v_正＞   v_逆 （填“＞”或“＜”）．
（6）若已知200℃时该反应的平衡常数K=64.8 则该反应的△H＜   0（填“＞”或“＜”）．
Ⅲ．某高校的研究人员研究出一种方法，可实现水泥生产时CO₂零排放，其基本原理如图所示
（7）上述电解反应在温度小于900℃时进行，碳酸钙先分解为CaO和CO₂，电解质为熔融合碳酸钙，阴极的电极反应式为3CO₂+4e^-═C+2CO₃^2-，则阳极的电极反应式为2CO₃^2--4e^-=2CO₂↑+O₂↑．

Answer 1

分析 I．（1）反应①为6FeO（s）+CO₂（g）═2Fe₃O₄（s）+C（s），对于Fe₃O₄，其化学组成为Fe₂O₃•FeO，每吸收1molCO₂，有6molFeO参与反应，被氧化成2molFe₂O₃，根据Fe元素守恒，则被氧化的FeO为4mol；
（2）C（s）与水蒸气反应生成CO₂和H₂的化学方程式为：C（s）+2H₂O（g）=CO₂（g）+2H₂（g），该反应可由已知的热化学方程式推导，根据盖斯定律计算该反应的焓变；
II．（3）反应为CO₂（g）+4H₂（g）?CH₄（g）+2H₂O（g），300℃时发生反应，平衡时CO₂0.2mol/L、CH₄0.8mol/L、H₂0.8mol/L，H₂O1.6mol/L，可算出起始时，CO₂有1mol/L，CH₄有4mol/L，反应是气体数不守恒的反应，且在恒温恒容容器内进行，则需要按相同物质的量充入，可构成等效平衡，据此分析；
（4）反应为气体数减少的反应，加压有利于平衡正反应方向移动，若保持温度不变，再向该容器内充入与起始量相等的CO₂和H₂，相当于对原平衡加压，若平衡不移动，则平衡时，CH₄的浓度是原平衡时候的两倍，现在平衡向右移动，则CH₄的量要比原平衡时的两倍多，据此分析；
（5）温度不变，则平衡常数不变，计算反应的平衡常数K，根据反应商J与平衡常数K的大小关系判断反应进行的方向；
（6）若已知200℃时该反应的平衡常数K=64.8，通过300℃时的平衡常数K与之比较，判断升高温度对反应趋势的影响，据此判断反应的焓变情况；
（7）电解反应在温度小于900℃时进行，碳酸钙先分解为CaO和CO₂，电解质为熔融合碳酸钙，电解池阳极的反应是物质失去电子，发生氧化反应，根据题意，是产生CO₂的反应，根据元素守恒分析，则是由CO₃^2-产生，据此写出电极反应．

解答 解：I．（1）反应①为6FeO（s）+CO₂（g）═2Fe₃O₄（s）+C（s），对于Fe₃O₄，其化学组成为Fe₂O₃•FeO，每吸收1molCO₂，有6molFeO参与反应，被氧化成2molFe₂O₃，根据Fe元素守恒，则被氧化的FeO为4mol，
故答案为：4；
（2）已知：①6FeO（s）+CO₂（g）═2Fe₃O₄（s）+C（s），△H₁=-76.0kJ/mol，
                  ②3FeO（s）+H₂O（g）═Fe₃O₄（s）+H₂（g）△H₂=-18.7kJ/mol，
则C（s）与水蒸气反应生成CO₂和H₂的化学方程式为：C（s）+2H₂O（g）=CO₂（g）+2H₂（g），该反应可由
②×2-①得到，根据盖斯定律，该反应的焓变为△H=2△H₂-△H₁=2×（-18.7）-（-76.0）=+38.6kJ/mol，
故答案为：C（s）+2H₂O（g）=CO₂（g）+2H₂（g）△H=+38.6kJ/mol；
II．（3）反应为CO₂（g）+4H₂（g）?CH₄（g）+2H₂O（g），300℃时发生反应，平衡时CO₂0.2mol/L、CH₄0.8mol/L、H₂0.8mol/L，H₂O1.6mol/L，可算出起始时，CO₂有1mol/L，CH₄有4mol/L，反应是气体数不守恒的反应，且在恒温恒容容器内进行，则需要按相同物质的量充入，可构成等效平衡，
A．等效平衡为1mol/LCO₂和4mol/LH₂，是与原平衡构成等效平衡，达到平衡后，各组分浓度与上述题中描述的平衡浓度相同，故A可选；
B．相当于对原平衡加压，加压会改变该反应的平衡，不构成等效平衡，达到平衡后，各组分浓度与上述题中描述的平衡浓度不相同，故B不选；
C．如果仅有反应物CO₂1mol/L和H₂4mol/L，则与原平衡等效平衡，这里其实是与B项构成等效平衡，不是与原平衡，故C不选；
D．等效平衡为1mol/LCO₂和4mol/LH₂，是与原平衡构成等效平衡，达到平衡后，各组分浓度与上述题中描述的平衡浓度相同，故D可选，
故选AD；
（4）反应为气体数减少的反应，加压有利于平衡正反应方向移动，若保持温度不变，再向该容器内充入与起始量相等的CO₂和H₂，相当于对原平衡加压，若平衡不移动，则平衡时，CH₄的浓度是原平衡时候的两倍，即1.6mol/L，现在平衡向右移动，则CH₄的量要比原平衡时的两倍多，即平衡时c（CH₄）＞1.6mol/L，
故选D；
（5）温度不变，则平衡常数不变，原平衡时，各组分浓度分别为CO₂0.2mol/L、CH₄0.8mol/L、H₂0.8mol/L，H₂O1.6mol/L，则反应的平衡常数为K=$\frac{{c}^{2}（{H}_{2}O）c（C{H}_{4}）}{{c}^{4}（{H}_{2}）c（C{O}_{2}）}$=$\frac{（0.8mol/L）×（1.6mol/L）^{2}}{（0.2mol/L）×（0.8mol/L）^{4}}$=25L²/mol²，在300℃时，如果向该容器中加入CO₂0.8mol/L、H₂1.0mol/L、CH₄ 2.8mol/L、H₂O 2.0mol/L，此时的反应商J=$\frac{（2mol/L）^{2}×（2.8mol/L）}{（1mol/L）^{4}×（0.8mol/L）}$=14L²/mol²，可见反应商J＜K，因此平衡向正反应方向移动，即v_正＞v_逆；
故答案为：＞；
（6）若已知200℃时该反应的平衡常数K=64.8，因此升高温度，平衡正向的趋势减小，反应向逆反应方向进行，则反应是放热的反应，焓变△H＜0，故答案为：＜；
（7）电解反应在温度小于900℃时进行，碳酸钙先分解为CaO和CO₂，电解质为熔融合碳酸钙，电解池阳极的反应是物质失去电子，发生氧化反应，根据题意，是产生CO₂的反应，根据元素守恒分析，则是由CO₃^2-产生，则阳极的电极反应为：2CO₃^2--4e^-=2CO₂↑+O₂↑，
故答案为：2CO₃^2--4e^-=2CO₂↑+O₂↑．

点评 本题主要考察化学原理知识，包含氧化还原反应的计算，热化学方程式的书写，盖斯定律的应用，等效平衡原理，化学反应方向的判定，化学平衡常数的计算，电化学知识，题目涉及的知识点较多，题目难度中等．