【题目】研究CO2的利用对促进低碳社会的构建具有重要意义。
(1)将CO2与焦炭作用生成CO,CO可用于炼铁等。已知:Fe2O3(s)+3C(石墨)=2Fe(s)+3CO(g) △H1=+489.0 kJ·mol-1 C(石墨)+CO2(g)=2CO(g) △H2=+172.5 kJ·mol-1
则CO还原Fe2O3(s)的热化学方程式为____________。
(2)二氧化碳合成甲醇是碳减排的新方向,将CO2转化为甲醇的热化学方程式为:CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g) △H
①该反应的平衡常数表达式为K=__________ 。
②取一定体积CO2和H2的混合气体(物质的量之比为1∶3),加入恒容密闭容器中,发生上述反应。反应过程中测得甲醇的体积分数φ(CH3OH)与反应温度T的关系如图所示,则该反应的ΔH _____ 0(填“>”、“<”或“=”)。
③在两种不同条件下发生反应,测得CH3OH的物质的量随时间变化如图所示,曲线I、Ⅱ对应的平衡常数大小关系为KⅠ_____ KⅡ(填“>”、“<”或“=”)。
(3)以CO2为原料还可以合成多种物质,用硫酸溶液作电解质进行电解,CO2在电极上可转化为CH4,该电极应与电源 ___________(填“正极”、“负极”)相连,其电极反应的方程式为______________________。
【答案】 Fe2O3(s)+3CO(g)=2Fe(s)+3CO2(g) △H=-28.5 kJ·mol-1 c(H2O) ·c(CH3OH)/ c(CO2) · c(H2)3 < > 负极 CO2-8e-+8H+= CH4+2H2O
【解析】(1)①Fe2O3(s)+3C(石墨)=2Fe(s)+3CO(g)△H1=+489.0kJ•mol-1;②C(石墨)+CO2(g)=2CO(g)△H2=+172.5kJ•mol-1;依据盖斯定律①-②×3得到Fe2O3(s)+3CO(g)=2Fe(s)+3CO2(g)△H=-28.5 kJ•mol-1;
(2)①平衡常数等于生成物的浓度幂之积除以反应物的浓度幂之积,所以K=;
②由图可知最高点反应到达平衡,达平衡后,温度越高,φ(CH3OH)越小,平衡向逆反应进行,升高温度平衡吸热方向进行,逆反应为吸热反应,则正反应为放热反应,即△H<0;
③由图2可知,温度TⅠ<TⅡ,平衡时,温度越高CO的转化率越小,说明升高温度,平衡向逆反应移动,升高温度平衡向吸热反应移动,故该反应正反应为放热反应,则△H<0,升高温度,平衡向逆反应移动,所以KⅠ>KⅡ;
(3)CO2在电极上可转化为CH4,发生还原反应,电解池的阴极发生还原反应,则该电极应与电源负极相连,其电极反应的方程式为CO2+8e-+8H+=CH4+2H2O。