Question

【題目】碳是自然界中形成化合物種類最多的元素，CO和CO2是碳的最常見氧化物。

（1）研究和解決二氧化碳捕集和轉化問題是當前科學研究的前沿領域。在太陽能的作用下，缺鐵氧化物[Fe0.9O]能分解CO2，其過程如圖1所示。過程①的化學方程式是______。在過程②中每產生0.1molO2，轉移電子______mol。

（2）在催化劑作用下，將二氧化碳和氫氣混合反應生成甲烷，是目前科學家們正在探索的處理空氣中的二氧化碳的方法之一。

①已知：

共價鍵	C=O	H—H	C—H	O—H
鍵能/(kJmol－1)	745	436	413	463

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

②向1L固定容積的密閉容器中加入4.0 mol H2(g)、1.0mol CO2，控制條件（催化劑：銠—鎂合金、高溫T1）使之反應，若測得容器內氣體的壓強隨著時間的變化如圖2所示。則4 min時容器內氣體的密度為______；溫度T1 下，該反應的化學平衡常為______。若采用2 L固定容積的密閉容器，投料量、催化劑和反應溫度均保持不變，則反應重新達到平衡時對應體系內的壓強的點是______（填字母）。

（3）工業合成原料氣CO會與設備、管道及催化劑表面的金屬鐵、鎳反應，生成羰基化合物。四羰基鎳是熱分解法制備高純鎳的原料，也是有機合成中供給一氧化碳的原料，還可做催化劑。Ni(s)+4CO(g)Ni(CO)4(g) △H＜0 Ni(CO)4(g)Ni(s)+4CO(g)。如圖3所示，在石英真空管的溫度為T1一端，放入少量粗鎳和CO(g)，一段時間后，在溫度為T2的一端可得到純凈的鎳。則溫度T1______T2（填“＞”“＜”或“＝”），上述反應體系中循環使用的物質為______（填化學式）。

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）根據反應物和生成物書寫化學方程式；根據氧元素的化合價變化計算；

（2）①根據ΔH＝反應物的化學鍵斷裂吸收的能量－生成物的化學鍵形成釋放的能量計算；

②密度是混合氣體的質量和容器容積的比值。根據4min時的壓強之比計算氣體的物質的量之比，進而計算平衡常數；結合反應特點和外界條件對平衡狀態的影響分析；

（3）根據溫度對平衡狀態的影響以及參加反應的物質分析。

詳解：（1）過程①中反應物是二氧化碳和Fe0.9O，生成物是碳和四氧化三鐵，則反應的化學方程式是10Fe0.9O＋CO23Fe3O4＋C；在過程②中氧元素化合價從－2價升高到0價，失去2個電子，則每產生0.1molO2，轉移電子0.4mol。

（2）①根據表中數據可知反應CO2(g)+4H2(g)CH4(g)+2H2O(g)△H＝（2×745+4×436－4×413－2×2×463）kJmol－1＝－270kJmol－1

②反應前后均是氣體，根據質量守恒定律可知4 min時容器內氣體的密度為；4min時壓強不再發生變化，反應達到平衡狀態，則

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

起始量（mol） 1 4 0 0

轉化量（mol） x 4x x 2x

平衡量（mol） 1－x 4－4x x 2x

壓強之比是物質的量之比，則，解得x＝0.75。容器的容積是1L，則溫度T1下，該反應的化學平衡常為。若采用2 L固定容積的密閉容器，投料量、催化劑和反應溫度均保持不變，則相當于是在原平衡的基礎上減小壓強，平衡向逆反應方向進行，且反應速率減小，到達平衡的時間增加，則反應重新達到平衡時對應體系內的壓強的點是D點。

（3）在石英真空管的溫度為T1一端，放入少量粗鎳和CO(g)，一段時間后，在溫度為T2的一端可得到純凈的鎳。由于生成鎳的反應是吸熱反應，升高溫度有利于生成Ni，則溫度T1＜T2；由于CO在左端是反應物，而在右端生成鎳的同時又產生CO，因此上述反應體系中循環使用的物質為CO。