CO2的资源化对于构建低碳社会具有重要意义。
(1)在太阳能的作用下,缺铁氧化物(如Fe0.9O)能分解CO2,其过程如图所示。过程①的化学方程式是_______。在过程②中每产生1 mol O2,转移电子____mol。
(2)高温共电解CO2和H2O是一种制备清洁燃料的新技术,其原理如图所示。电极a上的电极反应式是H2O + 2e-= H2 + O2-和__________________。
(3)利用CO2制备CH3OH的反应如下:
反应a:CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g) ΔH1 = + 41.19 kJ·mol-1
反应b:CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) ΔH2 =-90.77 kJ·mol-1
反应c:CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g) ΔH3
①反应a在一定条件下能自发进行的原因是_______________。
②ΔH3 =________kJ·mol-1,反应c的平衡常数表达式K=_______________。
(4)CO2是廉价的碳资源,将其甲烷化具有重要意义。其原理为:CO2(g)+4H2(g)CH4(g)+2H2O(g) △H=-412.5 kJ·mol-1其他条件不变,压强对CO2的转化率及CH4的选择性的影响如图所示。CH4的选择性=×100%,CO2甲烷化反应选择0.1MPa (1个大气压)而不选择更高压强的原因是_______________。
10Fe0.9O + CO2 3Fe3O4 + C 4 CO2+2e-= CO+O2- ΔS > 0 -49.58
在0.1MPa,CO2的转化率及CH4的选择性较高,加压CO2的转化率及CH4的选择性变化不大,且加压会增大投资和能耗
【分析】
(1)根据图所,过程①是Fe0.9O和CO2反应生成Fe3O4和C;
(2)根据图示,电极a上H2O得电子生成H2、CO2得电子生成CO;
(3) ①根据分析;
②根据盖斯定律计算ΔH3;
(4)根据图示,在0.1MPa,CO2的转化率及CH4的选择性较高,加压CO2的转化率及CH4的选择性变化不大;
【详解】
(1)根据图所,过程①是Fe0.9O和CO2反应生成Fe3O4和C,化学方程式是10Fe0.9O + CO2 3Fe3O4 + C;过程②中Fe3O4→O2,氧元素化合价由-2升高为0,每产生1 mol O2,转移电4mol;
(2)根据图示,电极a上H2O得电子生成H2、CO2得电子生成CO,电极反应式是H2O + 2e-= H2 + O2-和CO2+2e-= CO+O2-;
(3) ①反应a,ΔH>0,在一定条件下能自发进行,说明,所以ΔS > 0;
②反应a:CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g) ΔH1 = + 41.19 kJ·mol-1
反应b:CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) ΔH2 =-90.77 kJ·mol-1
反应c:CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g) ΔH3
②根据盖斯定律a+b得CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g) ΔH3=+ 41.19 kJ·mol-1-90.77 kJ·mol-1=-49.58 kJ·mol-1,反应c的平衡常数表达式K= ;
(4)根据图示,在0.1MPa,CO2的转化率及CH4的选择性较高,加压CO2的转化率及CH4的选择性变化不大,且加压会增大投资和能耗,CO2甲烷化反应选择0.1MPa (1个大气压)而不选择更高压强。
【点睛】
本题考查化学反应中的能量变化、化学反应方向的判据、化学平衡常数,理解盖斯定律的含义,明确电解原理是解题关键,注意平衡常数表达式的书写规则。
能量的相互转化:
化学反应中的能力变化表现为热量的变化。常见能量转化有:化学能和电能的相互转化、化学能和热能的相互转化、化学能和光能、风能的相互转化等。
如:燃料燃烧产生能量最终带动发电机发电,将化学能转化为电能;铜、锌形成原电池,将化学能转化为电能。
化学反应中的能力变化表现为热量的变化。常见能量转化有:化学能和电能的相互转化、化学能和热能的相互转化、化学能和光能、风能的相互转化等。
如:燃料燃烧产生能量最终带动发电机发电,将化学能转化为电能;铜、锌形成原电池,将化学能转化为电能。
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