题目
为了实现“碳中和”，研发CO2的利用技术成为热点。反应Ⅰ：CO2（g）+4H2（g）⇌CH4（g）+2H2O（g）ΔH1=-164.7kJ•mol-1反应Ⅱ：CO2（g）+H2（g）⇌CO（g）+H2O（g）ΔH2=+41.2kJ•mol-1请回答：（1）反应Ⅰ能够自发进行的条件是 ____ 。（2）向2L的恒容密闭容器中充入5molCO2和18molH2（起始压强为p），在不同温度下同时发生上述反应Ⅰ和反应Ⅱ，得到平衡时各含碳物质的物质的量n（X）与温度T的关系如图所示。n(X)/mol5.0 曲线Y-|||-曲线X-|||-4.0 a(800,3,8)-|||-3.0-|||-2.0-|||-b(800,1.0)-|||-1.0-|||-曲线Z-|||-0 c(800,0,2)-|||-500 800 1100 T/K①写出曲线Y表示的含碳元素物质的化学式 ____ 。②800K时，反应Ⅱ的平衡常数Kp= ____ [对于气相反应，用某组分B的平衡压强p（B）代替物质的量浓度c（B）也可表示平衡常数，记作Kp，如p（B）=p•χ（B），p（B）=p•χ（B），p为平衡总压强，χ（B）为平衡系统中B的物质的量分数]。（3）可用CO2与H2催化加氢制乙醇，反应原理为：CO2（g）+H2（g）⇌CO（g）+H2O（g）ΔH2=+41.2kJ•mol-1。经实验测定在不同投料比x1、x2、x3时CO2的平衡转化率与温度的关系如图所示[x=(n（(CO)_2）)/(n（(H)_2）)]：n(X)/mol5.0 曲线Y-|||-曲线X-|||-4.0 a(800,3,8)-|||-3.0-|||-2.0-|||-b(800,1.0)-|||-1.0-|||-曲线Z-|||-0 c(800,0,2)-|||-500 800 1100 T/K①上述反应的活化能Ea（正） ____ Ea（逆）（填“＞”、“＜”或“=”）。②x1、x2、x3由大到小的顺序是 ____ 。③从平衡角度分析，随温度升高，不同投料比时CO2的平衡转化率趋于相近的原因 ____ 。（4）科学家提出由CO2制取C的太阳能工艺如图。已知“重整系统”发生的反应中((n)（FeO）)/((n)（{CO)_2）}=6，则FexOy（y＜8）的化学式为 ____ 。n(X)/mol5.0 曲线Y-|||-曲线X-|||-4.0 a(800,3,8)-|||-3.0-|||-2.0-|||-b(800,1.0)-|||-1.0-|||-曲线Z-|||-0 c(800,0,2)-|||-500 800 1100 T/K（5）水系可逆Zn-CO2电池可吸收利用CO2，将两组阴离子、阳离子复合膜反向放置分隔两室电解液充、放电时，复合膜间的H2O解离成H+和OH-，工作原理如图所示：n(X)/mol5.0 曲线Y-|||-曲线X-|||-4.0 a(800,3,8)-|||-3.0-|||-2.0-|||-b(800,1.0)-|||-1.0-|||-曲线Z-|||-0 c(800,0,2)-|||-500 800 1100 T/K①放电时复合膜中向Zn极移动的离子是 ____ 。②充电时多孔Pd纳米片电极的电极反应式为 ____ 。
为了实现“碳中和”，研发CO2的利用技术成为热点。
反应Ⅰ：CO2（g）+4H2（g）⇌CH4（g）+2H2O（g）ΔH1=-164.7kJ•mol-1
反应Ⅱ：CO2（g）+H2（g）⇌CO（g）+H2O（g）ΔH2=+41.2kJ•mol-1
请回答：
（1）反应Ⅰ能够自发进行的条件是 ____ 。
（2）向2L的恒容密闭容器中充入5molCO2和18molH2（起始压强为p），在不同温度下同时发生上述反应Ⅰ和反应Ⅱ，得到平衡时各含碳物质的物质的量n（X）与温度T的关系如图所示。
①写出曲线Y表示的含碳元素物质的化学式 ____ 。
②800K时，反应Ⅱ的平衡常数Kp= ____ [对于气相反应，用某组分B的平衡压强p（B）代替物质的量浓度c（B）也可表示平衡常数，记作Kp，如p（B）=p•χ（B），p（B）=p•χ（B），p为平衡总压强，χ（B）为平衡系统中B的物质的量分数]。
（3）可用CO2与H2催化加氢制乙醇，反应原理为：CO2（g）+H2（g）⇌CO（g）+H2O（g）ΔH2=+41.2kJ•mol-1。经实验测定在不同投料比x1、x2、x3时CO2的平衡转化率与温度的关系如图所示[x=$\frac{n（{CO}_2）}{n（{H}_2）}$]：
①上述反应的活化能Ea（正） ____ Ea（逆）（填“＞”、“＜”或“=”）。
②x1、x2、x3由大到小的顺序是 ____ 。
③从平衡角度分析，随温度升高，不同投料比时CO2的平衡转化率趋于相近的原因 ____ 。
（4）科学家提出由CO2制取C的太阳能工艺如图。已知“重整系统”发生的反应中$\frac{{n}（FeO）}{{n}（{CO}_2）}$=6，则FexOy（y＜8）的化学式为 ____ 。
（5）水系可逆Zn-CO2电池可吸收利用CO2，将两组阴离子、阳离子复合膜反向放置分隔两室电解液充、放电时，复合膜间的H2O解离成H+和OH-，工作原理如图所示：
①放电时复合膜中向Zn极移动的离子是 ____ 。
②充电时多孔Pd纳米片电极的电极反应式为 ____ 。
反应Ⅰ：CO2（g）+4H2（g）⇌CH4（g）+2H2O（g）ΔH1=-164.7kJ•mol-1
反应Ⅱ：CO2（g）+H2（g）⇌CO（g）+H2O（g）ΔH2=+41.2kJ•mol-1
请回答：
（1）反应Ⅰ能够自发进行的条件是 ____ 。
（2）向2L的恒容密闭容器中充入5molCO2和18molH2（起始压强为p），在不同温度下同时发生上述反应Ⅰ和反应Ⅱ，得到平衡时各含碳物质的物质的量n（X）与温度T的关系如图所示。
①写出曲线Y表示的含碳元素物质的化学式 ____ 。
②800K时，反应Ⅱ的平衡常数Kp= ____ [对于气相反应，用某组分B的平衡压强p（B）代替物质的量浓度c（B）也可表示平衡常数，记作Kp，如p（B）=p•χ（B），p（B）=p•χ（B），p为平衡总压强，χ（B）为平衡系统中B的物质的量分数]。
（3）可用CO2与H2催化加氢制乙醇，反应原理为：CO2（g）+H2（g）⇌CO（g）+H2O（g）ΔH2=+41.2kJ•mol-1。经实验测定在不同投料比x1、x2、x3时CO2的平衡转化率与温度的关系如图所示[x=$\frac{n（{CO}_2）}{n（{H}_2）}$]：
①上述反应的活化能Ea（正） ____ Ea（逆）（填“＞”、“＜”或“=”）。
②x1、x2、x3由大到小的顺序是 ____ 。
③从平衡角度分析，随温度升高，不同投料比时CO2的平衡转化率趋于相近的原因 ____ 。
（4）科学家提出由CO2制取C的太阳能工艺如图。已知“重整系统”发生的反应中$\frac{{n}（FeO）}{{n}（{CO}_2）}$=6，则FexOy（y＜8）的化学式为 ____ 。
（5）水系可逆Zn-CO2电池可吸收利用CO2，将两组阴离子、阳离子复合膜反向放置分隔两室电解液充、放电时，复合膜间的H2O解离成H+和OH-，工作原理如图所示：
①放电时复合膜中向Zn极移动的离子是 ____ 。
②充电时多孔Pd纳米片电极的电极反应式为 ____ 。
题目解答
答案
解：（1）反应Ⅰ：CO2（g）+4H2（g）⇌CH4（g）+2H2O（g）ΔH1=-164.7kJ•mol-1，反应的ΔH＜0，△S＜0，反应Ⅰ能够自发进行的条件是：低温自发，
故答案为：低温自发；
（2）①反应Ⅰ是放热反应，反应Ⅱ是吸热反应，升高温度，反应Ⅰ平衡逆向进行，反应Ⅱ平衡正向进行，CH4的平衡物质的量减小，CO的平衡物质的量增大，则曲线X表示的是CH4，曲线Y表示的是CO，曲线Z表示的是CO2，
故答案为：CO；
②800K时，物质的量n（CH4）=3.8mol，n（CO）=0.2mol，n（CO2）=1.0mol，结合三段式列式计算，
反应Ⅰ：CO2（g）+4H2（g）⇌CH4（g）+2H2O（g）ΔH1=-164.7kJ•mol-1
起始量（mol） 3.8 15.2 3.8 7.6
反应Ⅱ：CO2（g）+H2（g）⇌CO（g）+H2O（g）ΔH2=+41.2kJ•mol-1
起始量（mol） 0.2 0.2 0.2 0.2
气体总物质的量=1.0mol+2.6mol+3.8mol+7.8mol+0.2mol=15.4mol，设总压强为p，则平衡分压p（CO2）=$\frac{1.0p}{15.4}$，p（H2）=$\frac{18.0-15.2-0.2}{15.4}$×p=$\frac{2.6p}{15.4}$，p（CO）=$\frac{0.2p}{15.4}$，p（H2O）=$\frac{7.6+0.2}{15.4}$×p=$\frac{7.8p}{15.4}$，反应Ⅱ的平衡常数Kp=$\frac{p（CO）×p（{H}_{2}O）}{p（C{O}_{2}）×p（{H}_{2}）}$=$\frac{\frac{0.2p}{15.4}×\frac{7.8p}{15.4}}{\frac{1.0p}{15.4}×\frac{2.6p}{15.4}}$=0.6，
故答案为：0.6；
（3）①温度升高转化率降低，该反应为放热反应，上述反应的活化能Ea（正）＜Ea（逆），
故答案为：＜；
②x值越小，转化率越高，x1、x2、x3由大到小的顺序是：x3＞x2＞x1，
故答案为：x3＞x2＞x1；
③从平衡角度分析，随温度升高，不同投料比时CO2的平衡转化率趋于相近的原因：升高温度到一定范围，温度对平衡移动的影响占主要因素，
故答案为：升高温度到一定范围，温度对平衡移动的影响占主要因素；
（4）重整系统中CO2和FeO反应生成FexOy和C，发生的反应中n（FeO）：n（CO2）=6时，则x：y=6：（6+2）=3：4，故FexOy的化学式为Fe3O4，
故答案为：Fe3O4；
（5）①充电时，阳离子移向阴极，符合膜中的阳离子是氢离子，放电时，阳离子移向正极，阴离子移向负极，图中氢离子移向多孔Pd纳米片，则移向n片的是：OH-，
故答案为：OH-；
②充电时多孔Pd纳米片电极的电极反应式为：HCOOH+2OH--2e-═CO2+2H2O，
故答案为：HCOOH+2OH--2e-═CO2+2H2O。
故答案为：低温自发；
（2）①反应Ⅰ是放热反应，反应Ⅱ是吸热反应，升高温度，反应Ⅰ平衡逆向进行，反应Ⅱ平衡正向进行，CH4的平衡物质的量减小，CO的平衡物质的量增大，则曲线X表示的是CH4，曲线Y表示的是CO，曲线Z表示的是CO2，
故答案为：CO；
②800K时，物质的量n（CH4）=3.8mol，n（CO）=0.2mol，n（CO2）=1.0mol，结合三段式列式计算，
反应Ⅰ：CO2（g）+4H2（g）⇌CH4（g）+2H2O（g）ΔH1=-164.7kJ•mol-1
起始量（mol） 3.8 15.2 3.8 7.6
反应Ⅱ：CO2（g）+H2（g）⇌CO（g）+H2O（g）ΔH2=+41.2kJ•mol-1
起始量（mol） 0.2 0.2 0.2 0.2
气体总物质的量=1.0mol+2.6mol+3.8mol+7.8mol+0.2mol=15.4mol，设总压强为p，则平衡分压p（CO2）=$\frac{1.0p}{15.4}$，p（H2）=$\frac{18.0-15.2-0.2}{15.4}$×p=$\frac{2.6p}{15.4}$，p（CO）=$\frac{0.2p}{15.4}$，p（H2O）=$\frac{7.6+0.2}{15.4}$×p=$\frac{7.8p}{15.4}$，反应Ⅱ的平衡常数Kp=$\frac{p（CO）×p（{H}_{2}O）}{p（C{O}_{2}）×p（{H}_{2}）}$=$\frac{\frac{0.2p}{15.4}×\frac{7.8p}{15.4}}{\frac{1.0p}{15.4}×\frac{2.6p}{15.4}}$=0.6，
故答案为：0.6；
（3）①温度升高转化率降低，该反应为放热反应，上述反应的活化能Ea（正）＜Ea（逆），
故答案为：＜；
②x值越小，转化率越高，x1、x2、x3由大到小的顺序是：x3＞x2＞x1，
故答案为：x3＞x2＞x1；
③从平衡角度分析，随温度升高，不同投料比时CO2的平衡转化率趋于相近的原因：升高温度到一定范围，温度对平衡移动的影响占主要因素，
故答案为：升高温度到一定范围，温度对平衡移动的影响占主要因素；
（4）重整系统中CO2和FeO反应生成FexOy和C，发生的反应中n（FeO）：n（CO2）=6时，则x：y=6：（6+2）=3：4，故FexOy的化学式为Fe3O4，
故答案为：Fe3O4；
（5）①充电时，阳离子移向阴极，符合膜中的阳离子是氢离子，放电时，阳离子移向正极，阴离子移向负极，图中氢离子移向多孔Pd纳米片，则移向n片的是：OH-，
故答案为：OH-；
②充电时多孔Pd纳米片电极的电极反应式为：HCOOH+2OH--2e-═CO2+2H2O，
故答案为：HCOOH+2OH--2e-═CO2+2H2O。