Question

【題目】以氧化鋁為原料，通過碳熱還原法可合成氮化鋁（AlN）；通過電解法可制取鋁。電解鋁時陽極產生的CO2，可通過二氧化碳甲醇化再利用。請回答：

（1）已知：2Al2O3（s）＝4Al（g）+3O2（g）△H1＝+3 351kJmol﹣1

2C（s）+O2（g）＝2CO（g）△H2＝﹣221kJmol﹣1

2Al（g）+N2（g）＝2AlN（s）△H3＝﹣318kJmol﹣1

則碳熱還原Al2O3合成氮化鋁的總熱化學方程式為_____。

（2）在常壓，Ru/TiO2催化下，CO2和H2混合氣體（體積比1：4，總物質的量a mol）進行反應，測得CO2的轉化率、CH4和CO的選擇性隨溫度的變化情況分別如圖1和圖2所示（選擇性：轉化的CO2中生成CH4和CO的百分比）。

反應Ⅰ：CO2（g）+4H2（g）CH4（g）+2H2O（g）△H1

反應Ⅱ：CO2（g）+H2（g）CO（g）+H2O（g）△H2

①下列說法不正確的是_____（填序號）。

A．△H1小于零

B．溫度可影響產物的選擇性

C．CO2的平衡轉化率隨溫度升高先增大后減少

D．其他條件不變將CO2和H2的初始體積比改變為1：3，可提高CO2的平衡轉化率

②350℃時，反應Ⅰ在t1時刻達到平衡，平衡時容器的體積為VL．則該溫度下反應Ⅰ的平衡常數為____（用a、V表示）。

③350℃時，CH4的物質的量隨時間的變化曲線如圖所示。畫出400℃時，0～t1時間段內，CH4的物質的量隨時間的變化曲線。____

（3）CO2和H2在一定條件下發生反應：CO2（g）+3H2（g）CH3OH（g）+H2O（g），平衡常數K＝ ．在容積為2L的密閉容器中，充入2 mol CO2和6 mol H2，恒溫恒容時達到平衡。相同條件下，在另一個2 L的密閉容器中充入a mol CO2、b mol H2、c mol CH3OH、d mol H2O（g），要使兩容器達到相同的平衡狀態，且起始時反應逆向進行，則d的取值范圍為_____。

（4）研究表明，CO2可以在硫酸溶液中用情性電極電解生成甲醇，則生成甲醇的電極反應式為_____。

Answer 1

【答案】3C（s）+Al2O3（s）+N2（g）＝2AlN（s）+3CO（g）△H＝△H1× +△H2× +△H3＝+1026 kJmol﹣1　。 CD 1＜d＜2　。 CO2+6H++6e﹣═CH3OH+H2O　。

【解析】

（1）已知：①2Al2O3（s）＝4Al（g）+3O2（g）△H1＝3 351 kJmol﹣1，

②2C（s）+O2（g）＝2CO（g）△H2＝﹣221 kJmol﹣1，

③2Al（g）+N2（g）＝2AlN（s）△H3＝﹣318 kJmol﹣1，

根據蓋斯定律①×+②×+③即得到碳熱還原Al2O3合成AlN的總熱化學方程式是3C（s）+Al2O3（s）+N2（g）＝2AlN（s）+3CO（g）△H＝△H1×+△H2×+△H3＝+1026 kJmol﹣1；

（2）①A、圖1中，二氧化碳轉化率先增大是反應正向進行，到一定溫度達到平衡狀態，升溫平衡逆向移動，二氧化碳的轉化率隨溫度升高而減小，說明正反應為放熱反應，△H4＜0，故A正確；

B、圖2分析可知，圖中曲線變化趨勢隨溫度升高到400℃以上，CH4和CO選擇性受溫度影響，甲烷減少，一氧化碳增多，溫度可影響產物的選擇性，故B正確；

C、二氧化碳轉化率先增大是反應正向進行未達到平衡狀態，達到平衡狀態后隨溫度升高二氧化碳轉化率減小，選故C錯誤；

D、CO2和H2混和氣體（體積比1：4，總物質的量a mol）進行反應，將CO2和H2的初始體積比改變為1：3，二氧化碳的轉化率減小，故D錯誤；

②在常壓、Ru/TiO2催化下，CO2和H2混和氣體（體積比1：4，總物質的量a mol）進行反應，350℃時，反應Ⅰ在t1時刻達到平衡，平衡時容器體積為VL，二氧化碳的轉化率為80%，

CO2（g）+4H2（g）CH4（g）+2H2O（g）

起始（mol） 0.2a 0.8a 0 0

變化（mol） 0.16a 0.64a 0.16a 0.32a

平衡（mol） 0.04a 0.16a 0.16a 0.32a

反應Ⅰ的平衡常數K＝ ；

③反應為放熱反應，升高溫度平衡逆向移動，二氧化碳的轉化率減小，由圖分析可知，接近72.5%，甲烷的物質的量減小，小于350℃時甲烷的物質的量，達到平衡所需要時間縮短，

CO2（g）+4H2（g）CH4（g）+2H2O（g）

起始量（mol） 0.2a 0.8a 0 0

變化量（mol） 0.145a 0.58a 0.145a 0.29a

平衡量（mol） 0.055a 0.22a 0.145a 0.29a

達到平衡狀態甲烷0.145amol，升高溫度加快反應速率，達到平衡所需要時間縮短，據此畫出圖象為：；

（3）CO2和H2在一定條件下發生反應：CO2（g）+3H2（g）CH3OH（g）+H2O（g），平衡常數K＝ ，在容積為2L的密閉容器中，充入2 mol CO2和6 mol H2，恒溫恒容時達到平衡，設平衡時轉化的CO2的物質的量為x，

CO2（g）+3H2（g）CH3OH（g）+H2O（g），

初始（mol）2 6 0 0

轉化（mol）x 3x x x

平衡（mol）2﹣x 6﹣3x x x

則平衡常數K＝ ＝，解得：x＝1，即平衡時H2O（g）的物質的量為1mol；

相同條件下，在另一個2L的密閉容器中充入a mol CO2、b mol H2、c mol CH3OH、d mol H2O（g），要使兩容器達到相同的平衡狀態，且起始時反應逆向進行，說明兩個平衡互為等效平衡，則必須滿足：a：b＝1：3，a+d＝2，c＝d，當反應物只有甲醇和水時，d的物質的量最大，最大為2mol；平衡時水的物質的量為1mol，若要使平衡向逆向移動，則d＞1mol，所以d的范圍為：1＜d＜2；

（4）CO2可以在酸性水溶液中電解生成甲醇，結合電荷守恒和原子守恒配平生成甲醇的電極反應式為：CO2+6H++6e﹣═CH3OH+H2O。