Question

【題目】以氧化鋁為原料，通過碳熱還原法可合成氮化鋁（AlN）；通過電解法可制取鋁。電解鋁時陽極產生的CO2可通過二氧化碳甲烷化等再利用。請回答：

（1）已知：①.2Al2O3(s)=4Al(g)＋3O2(g) △H1=+3351kJ/mol

②. 2C(s)+ O2(g)=2CO(g) △H2=－221kJ/mol

③. 2Al(g)+ N2(g)=2AlN(s) △H3=a kJ/mol

④. Al2O3(s)+ 3C(s)+ N2(g)=2AlN(s)＋3CO(g) △H4=+1026kJ/mol

反應③的a=______，反應④自發進行的條件是______(填“高溫”、“低溫”或“任意溫度”)

（2）在常壓、Ru/TiO2催化下，CO2和H2混和氣體（體積比1：4，總物質的量x mol）進行反應，測得CO2轉化率、CH4和CO選擇性隨溫度變化情況分別如圖1和圖2所示（選擇性：轉化的CO2中生成CH4或CO的百分比）。

反應ⅠCO2（g）+4H2（g）CH4（g）+2H2O（g）△H4

反應ⅡCO2（g）+H2（g）CO（g）+H2O（g）△H5

①下列說法正確的是___________。

A.△H5 小于零

B.溫度可影響產物的選擇性

C.CO2平衡轉化率隨溫度升高先增大后減少

D.其他條件不變，將CO2和H2的初始體積比改變為1:3，可提高CO2平衡轉化率

②350℃時，反應I在t1時刻達到平衡，平衡時容器體積為yL，該溫度下反應I的平衡常數為____(用x、y 表示)。

(3)CO2溶于水形成H2CO3。已知常溫下H2CO3 的電離平衡常數K1=4.4×10-7，K2=4.7×10-11，NH3·H2O的電離平衡常數Kb=1.75×10-5。常溫下，用氨水吸收CO2 可得到NH4HCO3 溶液，NH4HCO3 溶液顯______(填“ 酸 性”、“ 中性” 或“ 堿性”)；請計算反應NH4++HCO3-+ H2ONH3·H2O+H2CO3 的平衡常數K=_____________。

(4)據文獻報道，二氧化碳可以在酸性水溶液中用情性電極電解得到乙烯，其原理如圖所示。

b電極上的電極反應式為____________________________，該裝置中使用的是________(“ 陰”或“ 陽”) 離子交換膜。

Answer 1

【答案】 -318 高溫 AB 625y2/x2 堿性 1.3×10-3 2CO2+12H++12e- ==== C2H4+4H2O 陽

【解析】(1). 已知①.2Al2O3(s)=4Al(g)＋3O2(g) △H1=+3351kJ/mol，②. 2C(s)+ O2(g)=2CO(g) △H2=－221kJ/mol，③. 2Al(g)+ N2(g)=2AlN(s) △H3=a kJ/mol，④. Al2O3(s)+ 3C(s)+ N2(g)=2AlN(s)＋3CO(g) △H4=+1026kJ/mol，根據蓋斯定律，(①+②×3+③×2)÷2=④，解得△H3=－318 kJ/mol；若△G=△H－T△S＜0，則反應能自發進行，反應④的△H＞0，△S＞0，因此該反應能自發進行的條件為高溫，故答案為：－318；高溫；

(2).①. A. 根據圖1可知，CO2的轉化率先增大是因為反應正向進行，到一定溫度時達到平衡，升高溫度CO2的轉化率減小，說明正反應為放熱反應，△H5小于零，故A正確；B. 由圖2可知，隨溫度升高甲烷的選擇性降低，CO的選擇性增加，因此溫度可影響產物的選擇性，故B正確；C. CO2轉化率先增大是因為反應正向進行未達到平衡狀態，達到平衡狀態后，隨溫度升高CO2的轉化率減小，故C錯誤；D. CO2和H2混和氣體（體積比1:4，總物質的量x mol）進行反應，其他條件不變，將CO2和H2的初始體積比改變為1:3，相當于減小氫氣的量，CO2平衡轉化率減小，故D錯誤；答案為：AB；

②. 350℃時，反應I在t1時刻達到平衡，平衡時容器體積為yL，二氧化碳的轉化率為80%，根據三段式法有：

CO2（g）+4H2（g）CH4（g）+2H2O（g）

起始量(mol) 0.2x 0.8x 0 0

轉化量(mol) 0.16x 0.64x 0.16x 0.32x

平衡量(mol) 0.04x 0.16x 0.16x 0.32x

平衡常數K= =625y2/x2，故答案為：625y2/x2；

(3). 已知NH3·H2O的電離平衡常數Kb=1.75×105，H2CO3的電離平衡常數K1=4.4×10-7，K2=4.7×10-11，Kb＞K2，所以碳酸氫根離子的水解程度大于銨根離子的水解程度，NH4HCO3溶液顯堿性；反應NH4++HCO3-+ H2ONH3·H2O+H2CO3的平衡常數K= = =1.3×10-3，故答案為：堿性；1.3×10-3；

(4). 由圖可知，電解時二氧化碳在b極上得電子發生還原反應生成乙烯，電極反應式為2CO2+12H++12e-=C2H4+4H2O，因離子交換膜只允許氫離子通過，所以是陽離子交換膜，故答案為：2CO2+12H++12e-=C2H4+4H2O；陽。