Question

20．CCUS是一種二氧化碳的捕獲、利用與封存的技術，這種技術可將CO₂資源化，產生經濟效益．
（1）已知：CH₄（g）+2O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（g）△H₁=-820kJ/mol
CO（g）+H₂O（g）═CO₂（g）+H₂（g）△H₂=-41.2kJ/mol
2CO（g）+O₂（g）═2CO₂（g）△H₃=-566kJ/mol則反應的
CO₂（g）+CH₄（g）═2CO（g）+2H₂（g）△H=+229.6kJ/mol
（2）工業(yè)上，可利用太陽能以CO₂為原料制取C，其原理如圖1所示：整個過程中FeO（填“Fe₃O₄”或“FeO”）是反應的催化劑．重整系統(tǒng)中發(fā)生的反應為：6FeO+CO₂$\frac{\underline{\;700K\;}}{\;}$2Fe₃O₄+C每生成1mol Fe₃O₄，轉移電子的物質的量為2mol．

（3）CO₂還可用于合成甲醇，反應方程式為：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H＜0
①該反應的平衡常數表達式為K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）•c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）•{c}^{3}（{H}_{2}）}$．
②在恒容的密閉容器中，加入H₂和CO₂的混合氣體，不同溫度條件，反應相同時間后，測得甲醇的體積分數（CH₃OH）如圖2所示．圖中A、B、C、D、E五個點對應的狀態(tài)中，處于平衡狀態(tài)的是C、D、E（填字母），B點和E點的反應速率大小關系為v（B）＜v（E）（填“＞”、“＜”、“=”）．
③一定溫度下，在甲、乙兩個容積相同的恒容密閉容器中，加入H₂和CO₂的混合氣體．

容器	甲	乙
反應物投入量	1molCO2、3molH2	a molCO2、b molH2、c molCH3OH（g）、c molH2O（g）

甲容器平衡后氣體的壓強為開始時的80%，要使乙容器達平衡時與甲容器達到相同的平衡狀態(tài)，且起始時反應逆向進行，則c的取值范圍為0.4＜n（c）≤1mol．

Answer 1

分析 （1）①CH₄（g）+2O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（g）△H₁=-820kJ/mol
②CO（g）+H₂O（g）═CO₂（g）+H₂（g）△H₂=-41.2kJ/mol
③2CO（g）+O₂（g）═2CO₂（g）△H₃=-566kJ/mol則根據蓋斯定律，①+2②-2③得CO₂（g）+CH₄（g）═2CO（g）+2H₂（g）△H=+229.6kJ/mol，由此分析解答；（2）氧化亞鐵反應前后質量未變，反應2Fe₃O₄$\frac{\underline{\;2300K\;}}{\;}$6FeO+O₂↑中O元素化合價由-2價升高到0價，結合元素化合價以及方程式計算；
（3）①依據化學方程式和平衡常數概念寫出平衡常數表達式；
②C點前是平衡的建立，C點后是平衡的移動，溫度越高反應速率越快；
③根據平衡三部曲求出甲中平衡時各氣體的物質的量，然后根據平衡后乙與甲中相同組分的體積分數相等，且起始時維持反應逆向進行來判斷范圍．

解答 解：（1）①CH₄（g）+2O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（g）△H₁=-820kJ/mol
②CO（g）+H₂O（g）═CO₂（g）+H₂（g）△H₂=-41.2kJ/mol
③2CO（g）+O₂（g）═2CO₂（g）△H₃=-566kJ/mol則根據蓋斯定律，①+2②-2③得CO₂（g）+CH₄（g）═2CO（g）+2H₂（g）△H=+229.6kJ/mol，
故答案為：+229.6；
（2）氧化亞鐵反應前后質量未變，所以催化劑是氧化亞鐵，2Fe₃O₄$\frac{\underline{\;2300K\;}}{\;}$6FeO+O₂↑中O元素化合價由-2價升高到0價，由方程式可知，2molFe₃O₄參加反應，生成1mol氧氣，轉移4mol電子，則每分解lmolFe₃O₄轉移電子的物質的量為2mol，故答案為：FeO；2mol；
（3）①平衡常數等于生成物的濃度冪之積除以反應物的濃度冪之積，所以K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）•c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）•{c}^{3}（{H}_{2}）}$，故答案為：$\frac{c（C{H}_{3}OH）•c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）•{c}^{3}（{H}_{2}）}$；
②C點前是平衡的建立，C點后是平衡的移動，溫度越高反應速率越快，所以點C、D、E都是平衡狀態(tài)，而E的溫度高于B，所以E點的反應速率快，
故答案為：C、D、E；＜；
③CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）
初始：1        3         0          0
平衡：1-x     3-3x       x          x
甲中平衡后氣體的壓強為開始時的0.8倍，即（4-2x）/4=80%  
   解得x=0.4mol
依題意：甲、乙為等同平衡，且起始時維持反應逆向進行，所以全部由生成物投料，c的物質的量為1mol，c 的物質的量不能低于平衡時的物質的量0.4mol，所以c的物質的量為：0.4＜n（c）≤1mol，故答案為：0.4＜n（c）≤1mol．

點評 本題考查涉及知識點較多，涉及平衡常數的表達式、蓋斯定律以及外界條件對平衡移動的影響等問題，題目難度中等，本題注意把握計算方法．