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再利用。

請回答：

⑴已知：2Al2O3(s)=4Al(g)+3O2(g) △H1=3351 kJ·mol-1

2C(s)+O2(g)=2CO(g) △H2=-221 kJ·mol-1

2Al(g) + N2(g)=2AlN(s) △H3=-318 kJ·mol-1

碳熱還原Al2O3合成AlN的總熱化學方程式是_____，該反應自發進行的條件____________。

(2)在常壓，Ru/TiO2催化下，CO2和H2混合氣體(體積比1：4，總物質的量a 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I CO2(g)+4H2(g)CH4(g)+2H2O(g) △H1

反應II CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g) △H2

①下列說法不正確的是_____

A. △H1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VL，該溫度下反應I的平衡常數為________(用a、V表示)。

③350℃下CH4物質的量隨時間的變化曲線如圖3所示。畫出400℃下0～t1時刻CH4物質的量隨時間的變化曲線。________

據文獻報道，CO2可以在堿性水溶液中電解生成甲烷，生成甲烷的電極反應式是__________。

Answer 1

【答案】 3C(s)+Al2O3(s)+N2(g)=2AlN(s)+3CO(g) △H=1026kJmol 高溫自發 AD 625V2/a2 CO32-+8e-+7H2O=CH4+10OH-

【解析】⑴已知：①2Al2O3(s)=4Al(g)+3O2(g) △H1=+3351 kJ·mol-1，②2C(s)+O2(g)=2CO(g) △H2=-221 kJ·mol-1，③2Al(g) + N2(g)=2AlN(s) △H3=-318 kJ·mol-1，根據蓋斯定律①/2+②×3/2+③即得到碳熱還原Al2O3合成AlN的總熱化學方程式是3C(s)+Al2O3(s)+N2(g)=2AlN(s)+3CO(g) △H=+1026kJmol。正反應是吸熱的熵變增加的反應，因此該反應自發進行的條件高溫。(2)①A. 根據圖像可知CO2平衡轉化率隨溫度升高先增大后減少，升高溫度轉化率升高，正反應是吸熱反應，△H1大于零。后來降低，根據圖2 可知是由于選擇性造成的，A錯誤；B.根據圖2可判斷溫度可影響產物的選擇性，B正確；C.根據圖像可知CO2平衡轉化率隨溫度升高先增大后減少，C正確；D.其他條件不變，增大氫氣的濃度可提高CO2轉化率，D錯誤，答案選AD。②350℃時，反應I在t1時刻達到平衡，平衡時容器體積為VL，此時CO此時，則

CO2(g)+4H2(g) CH4(g) + 2H2O(g)

起始量（mol） 0.2a 0.8a 0 0

轉化量（mol） 0.16a 0.64a 0.16a 0.32a

平衡量（mol） 0.04a 0.16a 0.16a 0.32a

該溫度下反應I的平衡常數為=625V2/a2。

③根據圖1可知400℃下時CO2轉化率降低，生成的甲烷減少，則0～t1時刻CH4物質的量隨時間的變化曲線為；CO2可以在堿性水溶液中電解生成甲烷，反應中碳元素化合價降低，在陰極生成甲烷，電極反應式是CO32-+8e-+7H2O=CH4+10OH-。