Question

【题目】碳是自然界中形成化合物种类最多的元素，CO和CO2是碳的最常见氧化物。

（1）研究和解决二氧化碳捕集和转化问题是当前科学研究的前沿领域。在太阳能的作用下，缺铁氧化物[Fe0.9O]能分解CO2，其过程如图1所示。过程①的化学方程式是______。在过程②中每产生0.1molO2，转移电子______mol。

（2）在催化剂作用下，将二氧化碳和氢气混合反应生成甲烷，是目前科学家们正在探索的处理空气中的二氧化碳的方法之一。

①已知：

共价键	C=O	H—H	C—H	O—H
键能/(kJmol－1)	745	436	413	463

则CO2(g)+4H2(g)CH4(g)+2H2O(g) △H=______kJmol－1。

②向1L固定容积的密闭容器中加入4.0 mol H2(g)、1.0mol CO2，控制条件（催化剂：铑—镁合金、高温T1）使之反应，若测得容器内气体的压强随着时间的变化如图2所示。则4 min时容器内气体的密度为______；温度T1 下，该反应的化学平衡常为______。若采用2 L固定容积的密闭容器，投料量、催化剂和反应温度均保持不变，则反应重新达到平衡时对应体系内的压强的点是______（填字母）。

（3）工业合成原料气CO会与设备、管道及催化剂表面的金属铁、镍反应，生成羰基化合物。四羰基镍是热分解法制备高纯镍的原料，也是有机合成中供给一氧化碳的原料，还可做催化剂。Ni(s)+4CO(g)Ni(CO)4(g) △H＜0 Ni(CO)4(g)Ni(s)+4CO(g)。如图3所示，在石英真空管的温度为T1一端，放入少量粗镍和CO(g)，一段时间后，在温度为T2的一端可得到纯净的镍。则温度T1______T2（填“＞”“＜”或“＝”），上述反应体系中循环使用的物质为______（填化学式）。

Answer 1

【答案】 10Fe0.9O＋CO23Fe3O4＋C 0.4 －270 52g·L－1 6.75（mol·L－1）－2 D ＜ CO

【解析】分析：（1）根据反应物和生成物书写化学方程式；根据氧元素的化合价变化计算；

（2）①根据ΔH＝反应物的化学键断裂吸收的能量－生成物的化学键形成释放的能量计算；

②密度是混合气体的质量和容器容积的比值。根据4min时的压强之比计算气体的物质的量之比，进而计算平衡常数；结合反应特点和外界条件对平衡状态的影响分析；

（3）根据温度对平衡状态的影响以及参加反应的物质分析。

详解：（1）过程①中反应物是二氧化碳和Fe0.9O，生成物是碳和四氧化三铁，则反应的化学方程式是10Fe0.9O＋CO23Fe3O4＋C；在过程②中氧元素化合价从－2价升高到0价，失去2个电子，则每产生0.1molO2，转移电子0.4mol。

（2）①根据表中数据可知反应CO2(g)+4H2(g)CH4(g)+2H2O(g)△H＝（2×745+4×436－4×413－2×2×463）kJmol－1＝－270kJmol－1

②反应前后均是气体，根据质量守恒定律可知4 min时容器内气体的密度为；4min时压强不再发生变化，反应达到平衡状态，则

CO2(g)+4H2(g)CH4(g)+2H2O(g)

起始量（mol） 1 4 0 0

转化量（mol） x 4x x 2x

平衡量（mol） 1－x 4－4x x 2x

压强之比是物质的量之比，则，解得x＝0.75。容器的容积是1L，则温度T1下，该反应的化学平衡常为。若采用2 L固定容积的密闭容器，投料量、催化剂和反应温度均保持不变，则相当于是在原平衡的基础上减小压强，平衡向逆反应方向进行，且反应速率减小，到达平衡的时间增加，则反应重新达到平衡时对应体系内的压强的点是D点。

（3）在石英真空管的温度为T1一端，放入少量粗镍和CO(g)，一段时间后，在温度为T2的一端可得到纯净的镍。由于生成镍的反应是吸热反应，升高温度有利于生成Ni，则温度T1＜T2；由于CO在左端是反应物，而在右端生成镍的同时又产生CO，因此上述反应体系中循环使用的物质为CO。