Question

二氧化碳的回收利用是环保和能源领域研究的热点课题。

（1）新的研究表明，利用太阳能可以将CO₂分解制取炭黑，其原理如右图所示。该过程的能量转化形式为______，在整个过程中，FeO的作用是_________。

已知：

①2Fe₂O₄（s）=6FeO（s）+O₂（g）  ΔH=akJ/mol

②C（s）+O₂（g）=CO₂（g）  ΔH=bKJ/mol  则过程2的热化学方程式为________。

（2）一定温度下，在密闭容器中进行反应CO₂（g）+CH₄（g）2CO（g）+2H₂（g） ΔH>0，下列说法正确的是________。

A.当混合气体的平均相对分子质量不变时，反应达到平衡状态

B.升高温度，加快反应速率，CO₂的转化率降低

C.增大CO₂的浓度，平衡向正反应方向移动，平衡常数增大

D.平衡时CO、H₂的体积分数不一定相等

（3）在2L恒容密闭容器中充入2molCO₂和nmolH₂，在一定条件下发生反应CO₂（g）+3H₂（g）CH₃COOH（g）+H₂O（g），CO₂的转化率与温度、投料比的关系如右图所示。

①若从反应开始到A点需要10s，则V（H₂）= _____。

②该反应的平衡常数表达式为______，若X₁=3，则B点的K=___________。

③根据图像判断X₁ ____X₂（填“>”、“<”或“=”，下同），平衡常数K_A ___K_B。

④若在500K时，按X₁投料，在恒压下进行，达到平衡状态，此时CO₂的转化率______75%（填“>”、“<”或“=”）

（4）美国伊利诺大学芝加哥分校（UIC）的研究团队设计出一种突破性的新太阳能电池，能把大气中的二氧化碳转换成碳氢化合物（hydrocarbon）燃料，解决了现代社会的两大挑战：“减少大气的碳含量”以及“有效率地制造高密度能源”。右图是通过CO₂和H₂O作用制备CH₃OH的原理示意图。

①a电极的名称_________，电极产物___________。

②b电极的电极反应为_________。

Answer

太阳能转化成化学能 催化剂 6FeO(s)+CO2(g) =2Fe3O4(s)+C(s) ΔH=(-a-b)kJ/mol AD 0.225mol/Ls K=c（CH2OH）·c（H2O）/[c（CO2）·c3（H2）] 5.3 > > > 负极 H+、O2 CO2+6H++6e-=CH3OH+H2O

【解析】（1）从图中可以看出①2Fe2O4（s）=6FeO（s）+O2（g） ΔH=akJ/mol吸收太阳能，转化为化学能，又已知②C（s）+O2（g）=CO2（g） ΔH=bKJ/mol ，由-1×①-②得过程2的热化学方程式为 6FeO(s)+CO2(g) =2Fe3O4(s)+C(s) ΔH=(-a-b)kJ/mol ，从过程1和2中FeO先作反应物，后作生成物，FeO起催化剂的作用；（2）A、CO2（g）+CH4（g）2CO（g）+2H2，反应物系数之和不等于生成物系数之和，只要平衡有所移动，势必会导致分子数的变化，所以当混合气体的平均相对分子质量一定，一定是平衡状态，故A正确；B、升高温度，加快反应速率，该反应是吸热反应，平衡正向移动，CO2的转化率升高，故B错误；C、增大CO2的浓度，平衡向正反应方向移动，但温度不变，平衡常数不变，故C错误；D、由于不清楚该反应的开始状态，所以平衡时CO、H2 的体积分数不一定相等，故正确。（3） ①由图像可知，CO2的转化率是0.75，则反应的CO2的物质的量为1.5mol，因此v(CO2)=1.5mol/(2L×10min)=0.075 mol/(L·s)，换算成v(H2)= 0.225 mol/(L·s)。

②若X1=3，则n=6,B 点时C(CH3OH)=C(H2O)=0.75mol·L－1，C(CO2)=0.25mol·L－1，C(H2)=0.75mol·L－1，用三段式进行计算可得出，K=5.3。

③根据图像可知，在等温时，X1 条件下CO2 的转化率大于在X2 条件下CO2 的转化率，说明X1>X2。随温度升高，CO2 的转化率减小，平衡逆向移动，说明正反应是放热的，B 点的温度比A 点高，所以平衡常数KA>KB。

④在500 K 时，恒容下，随反应的进行，压强减小，若在恒压下达到平衡状态，相当于对恒容下进行加压，平衡正向移动，此时CO2 的转化率变大。

（4）该电池的总反应为2CO2+4H2O=2CH3OH+3O2，可以将太阳能转变为化学能；①分析图像，由电子转移的方向可知，a 为负极，发生氧化反应：2H2O―4e―=O2＋4H＋ ；②b 为正极，发生还原反应：CO2+6H＋+6e－=CH3OH+H2O

点睛：（1）根据盖斯定律，先求出过程2的方程式，与①比较即可得到FeO的催化作用。（2）D、由于不清楚该反应的开始状态，所以平衡时CO、H2 的体积分数不一定相等，是易错点，平衡常数的计算是难点。