Question

【題目】“低碳資源”正成為科學家研究的主要課題，為了減少空氣中的溫室氣體，并且充分利用二氧化碳資源，科學家們設想了一系列捕捉和封存二氧化碳的方法。

(1)有科學家提出可利用FeO吸收和利用CO2，相關熱化學方程式如下：

6FeO(s)+CO2(g)=2Fe3O4(s)+C(s) △H=-76.0kJ·mol-1

①己知：C(s)+2H2O(g)=CO2(g)+2H2(g) △H=+113.4kJ·mol-1

則反應：3FeO(s)+H2O(g)= Fe3O4(s)+ H2(g)的△H=______________。

(2)用氨水捕集煙氣中的CO2生成銨鹽是減少CO2排放的可行措施之一。

①分別用不同pH的吸收剤吸收煙氣中的CO2，CO2脫除效率與吸收劑的pH關系如下圖所示，若煙氣中CO2的含量(體積分數)為12%，煙氣通入氨水的流量為0.052 m3·h-1(標準狀況)，用pH為12.81的氨水吸收煙氣30min，脫除的CO2的物質的量最多為_________ (精確到0.01)。

②通常情況下溫度升高，CO2脫除效率提高，但高于40℃時，脫除CO2效率降低的主要原因是_________________ 。

(3)一定條件下，Pd-Mg/SiO2催化劑可使CO2“甲烷化”從而變廢為寶，其反應機理如下圖所示。

①該反應的化學方程式為___________________；反應過程中碳元素的化合價為-2價的中間體是__________________________。

②向一容積為2L的恒容密閉容器中充入一定量的CO2和H2，在300℃時發生上述反應，達到平衡時各物質的濃度分別為CO2：0.2mol·L-1、H2：0.8 mol·L-1、CH4：0.8 mol·L-1、H2O：1.6 mol·L-1，CO2的平衡轉化率為___________________。

③己知該反應正反應放熱，現有兩個相同的恒容絕熱(與外界無熱量交換)密閉容器Ⅰ、Ⅱ，在Ⅰ中充入1molCO2和4molH2，在Ⅱ中充入1molCH4和2molH2O(g)，300℃下開始反應。達到平衡時，下列說法正確的是_____________(填字母)。

A.容器Ⅰ、Ⅱ中正反應速率相同

B.容器Ⅰ、Ⅱ中CH4的物質的量分數相同

C.容器Ⅰ中CO2的物質的量比容器Ⅱ中的多

D.容器Ⅰ中CO2的轉化率與容器Ⅱ中CH4的轉化率之和小于1

Answer 1

【答案】 +18.7kJ·mol-1 0.13mol 碳酸氫銨受熱分解生成二氧化碳，氨水受熱揮發 CO2+4H2CH4+2H2O MgOCH2 80% CD

【解析】(1) 6FeO(s)+CO2(g)=2Fe3O4(s)+C(s) △H=-76.0kJ·mol-1，C(s)+2H2O(g)=CO2(g)+2H2(g)△H=+113.4kJ·mol-1，根據蓋斯定律，兩個熱化學方程式相加除以2得：3FeO(s)+H2O(g)=Fe3O4(s)+H2(g)△H= +18.7kJ·mol-1；正確答案：+18.7kJ·mol-1。

(2) ①二氧化碳的脫除效率與氨水pH的關系為：溶液的堿性越大，吸收效率越高，故二氧化碳脫除效率隨氨水pH增大而增加。30min流入氨水的體積為1/2×0.052×103=26L，根據CO2+NH3H2O=NH4HCO3反應，可知n(NH3)=n(CO2)，相同條件下體積之比等于物質的量之比，則標準狀況，吸收的二氧化碳的體積為26×91.6%×12%=2.86L，二氧化碳的物質的量為2.86/22.4=0.13mol；正確答案：0.13 mol。

②從40~50℃，二氧化碳脫除效率降低的原因是碳酸氫銨受熱分解生成二氧化碳，氨水受熱揮發；正確答案：碳酸氫銨受熱分解生成二氧化碳，氨水受熱揮發。

(3)①據信息:一定條件下Pd-Mg/SiO2催化劑可使CO2“甲烷化”,反應的方程式為: CO2+4H2CH4+2H2O ；反應過程中碳元素的化合價為-2價的中間體是MgOCH2 ；正確答案：CO2+4H2CH4+2H2O ；MgOCH2 。

②根據CO2+4H2CH4+2H2O反應可知，甲烷的變化濃度為0.8 mol·L-1，則二氧化碳的變化濃度為0.8 mol·L-1，二氧化碳起始濃度為0.2+0.8=1 mol·L-1，CO2的平衡轉化率為0.8/1×100%=80%；正確答案：80%。

③容器Ⅰ中從正反應開始到達平衡,容器Ⅱ中從逆反應開始到達,平衡建立的途徑不相同,無法比較反應速率，A錯誤；如果兩個密閉容器為恒溫恒容，兩個反應達平衡后為等效平衡，CH4的物質的量分數相同；但是容器Ⅰ反應發生后，由于恒容絕熱，反應放熱體系溫度升高，平衡左移，所以容器Ⅰ甲烷的物質的量分數大于容器Ⅱ中CH4的物質的量分數，B錯誤；容器Ⅱ中所到達的平衡狀態,相當于在容器Ⅰ中平衡的基礎上降低溫度,平衡向正反應移動,故容器Ⅰ中CO2的物質的量比容器Ⅱ中的多，C正確；溫度相同時,容器I中CO 的轉化率與容器Ⅱ中CO2的轉化率之和等于1,容器Ⅱ中所到達的平衡狀態，相當于在容器Ⅰ中平衡的基礎上降低溫度,平衡向正反應移動,二氧化碳的轉化率比兩容器相同溫度時容器Ⅱ中CO2的轉化率低,故容器Ⅰ中CO 的轉化率與容器Ⅱ中CO2的轉化率之和小于1，D正確；正確選項CD。