Question

3．有科学家提出“绿色自由”的构想：将CO₂变为燃料或有机化学品．其构想分成3个步骤：
①利用浓碳酸钾溶液吸收空气中的CO₂；
②将第①步吸收液电解产生H₂和O₂，同时分离出CO₂；
③将第②步产生的H₂和CO₂在一定条件下转化成CH₄和水蒸气．
已知：H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=H₂O（l）△H₁=-285.8kJ/mol
CH₄（g）+2O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l）△H₂=-889.6kJ/mol
H₂O（l）=H₂O（g）△H₃=+44.0kJ/mol
（1）第③步反应的热化学方程式为CO₂（g）+4H₂（g）=CH₄（g）+2H₂O（g）△H=-165.6kJ/mol．
（2）若在第②步电解吸收液时产生11.2LO₂（标准状况下），则第③步中最多可制得5.6L甲烷（标准状况下）
（3）为探究在密闭容器中进行第③步反应的最佳投料比，某研究小组向恒温（T₁、T₂均大于100℃）恒容容器中充入一定量的H₂，在其他条件不变的情况下，改变起始CO₂的物质的量测定达到平衡时CH₄的体积分数，实验结果如图所示．则a、c两点处所的平衡状态中，氢气的转化率的大小关系是α（a）＜α（c）（填“＞”“＜”或“=”），a、b、c、d四点所处的平衡状态中，对应的平衡常数K_a、K_b、K_c、K_d的大小关系是K_a=K_c＞K_b=K_d．

Answer 1

分析 （1）已知：①H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=H₂O（l）△H₁=-285.8kJ/mol
②CH₄（g）+2O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l）△H₂=-889.6kJ/mol
③H₂O（l）=H₂O（g）△H₃=+44.0kJ/mol
根据盖斯定律，①×4-②+③×2可得：CO₂（g）+4H₂（g）=CH₄（g）+2H₂O（g）；
（2）根据方程式：2H₂O$\frac{\underline{\;通电\;}}{\;}$2H₂↑+O₂↑、CO₂+4H₂=CH₄+2H₂O，可得关系式2H₂ ～O₂ ～$\frac{1}{2}$CH₄；
（3）增大二氧化碳的浓度平衡正移，氢气的转化率增大；
平衡常数只与温度有关，正反应为吸热反应，升高温度平衡逆移，K要减小．

解答 解：（1）已知：①H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=H₂O（l）△H₁=-285.8kJ/mol
②CH₄（g）+2O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l）△H₂=-889.6kJ/mol
③H₂O（l）=H₂O（g）△H₃=+44.0kJ/mol
根据盖斯定律，①×4-②+③×2可得：CO₂（g）+4H₂（g）=CH₄（g）+2H₂O（g）△H=-165.6kJ/mol，
故答案为：CO₂（g）+4H₂（g）=CH₄（g）+2H₂O（g）△H=-165.6kJ/mol；
（2）根据方程式：2H₂O$\frac{\underline{\;通电\;}}{\;}$2H₂↑+O₂↑、CO₂+4H₂=CH₄+2H₂O，可得关系式2H₂ ～O₂ ～$\frac{1}{2}$CH₄，故收集11.2L氧气时，可以制得甲烷为11.2L×$\frac{1}{2}$=5.6L，
故答案为：5.6L；
（3）增大二氧化碳的浓度平衡正移，氢气的转化率增大，所以氢气的转化率的大小关系是：a（a）＜a（c）；
正反应为放热反应，升高温度平衡逆向移动，甲烷的含量减小，故温度T₁＞T₂，而平衡常数只与温度有关，升高温度平衡逆移，K要减小，故平衡常数K_a=K_c＞K_b=K_d，
故答案为：＜；K_a=K_c＞K_b=K_d；

点评 本题考查化学平衡影响因素、化学平衡图象、平衡常数、盖斯定律应用等，（2）中注意利用关系式解答，注意平衡常数只受温度影响．