Question

8．CH₄、H₂、C都是优质的能源物质，它们燃烧的热化学方程式为：
①CH₄（g）+2O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-890.3kJ•mol^-1
②2H₂（g）+O₂（g）═2H₂O（l）△H=-571.6kJ•mol^-1
③C（s）+O₂（g）═CO₂（g）△H=-393.5kJ•mol^-1
（1）在深海中存在一种甲烷细菌，它们依靠酶使甲烷与O₂作用产生的能量存活，甲烷细菌使1mol甲烷生成CO₂气体与液态水，放出的能量=（填“＞”“＜”或“=”）890.3kJ．
（2）甲烷与CO₂可用于合成合成气（主要成分是一氧化碳和氢气）：CH₄+CO₂═2CO+2H₂，1g CH₄完全反应可释放15.46kJ的热量，则：
①能表示该反应过程中能量变化的是（图1）D（填字母）．
②若将物质的量均为1mol的CH₄与CO₂充入某恒容密闭容器中，体系放出的热量随着时间的变化如图2所示，则CH₄的转化率为63%．

（3）C（s）与H₂（g）不反应，所以C（s）+2H₂（g）═CH₄（g）的反应热无法直接测量，但通过上述反应可求出C（s）+2H₂（g）═CH₄（g）的反应热△H=-74.8kJ•mol^-1．
（4）目前对于上述三种物质的研究是燃料研究的重点，下列关于上述三种物质的研究方向中可行的是C（填字母）．
A．寻找优质催化剂，使CO₂与H₂O反应生成CH₄与O₂，并放出热量
B．寻找优质催化剂，在常温常压下使CO₂分解生成碳与O₂
C．寻找优质催化剂，利用太阳能使大气中的CO₂与海底开采的CH₄合成合成气（CO、H₂）
D．将固态碳合成为C₆₀，以C₆₀作为燃料
（5）工业上合成甲醇的反应：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H=-90.8kJ•mol^-1，若在温度相同、容积均为2L的3个容器中，按不同方式投入反应物，保持恒温、恒容，测得反应达到平衡时如表：

容器	甲	乙	丙
反应物投入量	1molCO、2mol H2	1mol CH3OH	2mol CO、4mol H2
CH3OH的浓度（mol/L）	c1=0.25	c2	c3
反应的能量变化	放出Q1 kJ	吸收Q2 kJ	放出Q3 kJ
平衡常数	K1	K2	K3
反应物转化率	α1	α2	α3

①下列不能说明该反应在恒温恒容条件下已达化学平衡状态的是BC．
A．v_正（H₂）=2v_逆（CH₃OH）  B．n（CO）﹕n（H₂）﹕n（CH₃OH）=1﹕2：1
C．混合气体的密度不变   D．混合气体的平均相对分子质量不变 E．容器的压强不变
②下列说法正确的是AC．
A．c₁=c₂      B．Q₁=Q₂     C．K₁=K₂      D．α₂+α₃＜100%
③如图表示该反应的反应速率v和时间t的关系图（图3）：

各阶段的平衡常数如表所示：

t2～t3	t4～t5	t5～t6	t7～t8
K4	K5	K6	K7

K₄、K₅、K₆、K₇之间的关系为K₄＞K₅=K₆=K₇（填“＞”、“＜”或“=”）．反应物的转化率最大的一段时间是t₂～t₃．

Answer 1

分析 （1）CH₄（g）+2O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-890，.3kJ•mol^-1，得到甲烷细菌使1mol甲烷生成CO₂气体与液态水放出的热量；
（2）①甲烷与CO₂可用于合成合成气（主要成分是一氧化碳和氢气）：CH₄+CO₂═2CO+2H₂，1g CH₄完全反应可释放15.46kJ的热量，计算1mol甲烷完全反应放出的热量，反应为放热反应，据此分析图象判断；
②依据①计算得到的反应的焓变，图中中是反应达到平衡状态时放热155.8KJ，计算反应的甲烷得到转化率；
（3）已知：①CH₄（g）+2O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l）；△H₁=-890.3kJ/mol；
②2H₂（g）+O₂（g）═2H₂O（l）△H=-571.6kJ•mol^-1
③C（s）+O₂（g）=CO₂（g）；△H₂=-393.5kJ/mol
反应C（石墨，s）+2H₂（g）=CH₄（g）可以是②+③-①得到，由此分析解答；
（4）A．CO₂与H₂O反应生成CH₄和O₂，为吸热反应；
B．使CO₂分解生成碳与O₂的反应为吸热反应，常温下不能发生；
C．大气中的CO₂和海底开采的CH₄合成合成气（CO、H₂），具有可行性；
D．将固态碳合成C₆₀，以C₆₀作燃料，产物相同；
（5）①可逆反应达到平衡状态，一定满足正逆反应速率相等，各组分的浓度、百分含量不再变化，据此进行判断；
②在恒温恒容条件下，甲加入1molCO、2molH₂与乙中1molCH₃OH为等效平衡，而丙中加入2molCO、4molH₂，与甲相比，丙增大了压强，平衡向着正向移动，据此进行解答；
③温度不变，化学平衡常数不变，t₃时刻，正逆反应速率都增大，且逆反应速率变化大，平衡向逆反应移动，应该为升高了温度；t₆时刻，正逆反应速率都减小，且正反应速率变化大，平衡向逆反应移动，据此进行解答．

解答 解：（1）CH₄（g）+2O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-890.3kJ•mol^-1，得到甲烷细菌使1mol甲烷生成CO₂气体与液态水放出的热量等于890.3kJ•mol^-1，
故答案为：=；
（2）①甲烷与CO₂可用于合成合成气（主要成分是一氧化碳和氢气）：CH₄+CO₂═2CO+2H₂，1g CH₄完全反应可释放15.46kJ的热量，计算1mol甲烷完全反应放出的热量=15.46KJ×16=247.36KJ，反应焓变△H=-247.36KJ/mol，反应为放热反应，反应物能量高于生成物，反应的热化学方程式为：CH_4（g）+CO_2（g）═2CO（g）+2H_2（g），△H=-247.36KJ/mol，符合能量变化的图象只有D符合，
故答案为：D；  
 ②反应的热化学方程式为：CH_4（g）+CO_2（g）═2CO（g）+2H_2（g），△H=-247.36KJ/mol，图象可知反应达到平衡状态放出热量155.80KJ，则反应的甲烷物质的量=$\frac{155.80KJ}{247.36KJ/mol}$=0.63mol，甲烷转化率为63%，
故答案为：63%；
（3）已知：①CH₄（g）+2O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l）；△H₁=-890.3kJ/mol；
②2H₂（g）+O₂（g）═2H₂O（l）△H=-571.6kJ•mol^-1
③C（s）+O₂（g）=CO₂（g）；△H₂=-393.5kJ/mol
盖斯定律计算，②+③-①得到，反应C（石墨，s）+2H₂（g）=CH₄（g）△H=-74.8 kJ•mol^-1，
故答案为：-74.8 kJ•mol^-1；
（4）A．甲烷与氧气的反应为放热反应，可知CO₂与H₂O反应生成CH₄和O₂为吸热反应，故A错误；
B．使CO₂分解生成碳与O₂的反应为吸热反应，常温下不能发生，故B项不正确；
C．大气中的CO₂和海底开采的CH₄合成合成气（CO、H₂），具有可行性，利用优质催化剂、太阳能实现转化，故C正确；
D．将固态碳合成C₆₀，以C₆₀作燃料，产物相同，研究方向不可行，故D错误；
故答案为：C；
（5）①A．v_正（H₂）=2v_逆（CH₃OH），表示的是正逆反应速率，且满足二者计算量关系，说明反应达到平衡状态，故A错误；
B．n（CO）：n（H₂）：n（CH₃OH）=1：2：1，物质的量之比，无法判断正逆反应速率是否相等，无法判断是否达到平衡状态，故B正确；
C．混合气体的密度不变，反应前后都是气体，容器的容积不变，所以气体的密度始终不变，密度不能作为判断平衡状态的依据，故C正确；
D．该反应是气体体积缩小的反应，反应过程中气体的物质的量发生变化，混合气体的平均分子量发生变化，若混合气体的平均相对分子质量不变，说明达到了平衡状态，故D错误；
E．该反应是体积缩小的反应，气体的物质的量在反应中发生变化，若容器的压强不变，说明正逆反应速率相等，达到了平衡状态，故E错误；
故答案为：BC；
②A、恒温恒容条件下，甲加入1molCO、2molH₂与乙中1molCH₃OH为等效平衡，则达到平衡时各组分的浓度都相等，所以c₁=c₂，故A正确；
B、由于甲和乙是从不同方向进行的反应，则甲放出的热量与乙吸收的热量不一定相等，故B错误；
C、由于甲和乙为从不同的方向进行的可逆反应，两个反应中温度相同，则平衡常数不变，所以K₁=K₂，故C正确；
D、甲和乙为等效平衡，反应的方向完全不同，所以a₁=a₂，用于丙中浓度为甲的2倍，相当于增大了压强，丙中反应物转化率大于甲，即a₃＞a₁，所以a₂+a₃＞100%，故D错误；
故答案为：AC；
③t₃时刻，正逆反应速率都增大，且逆反应速率变化大，平衡向逆反应移动，应为升高温度，所以K₄＞K₅；
t₆时刻，正逆反应速率都减小，且正反应速率变化大，平衡向逆反应移动；应为降低压强，所以K₆=K₇；
t₅～t₆正逆速率都增大，平衡不移动，应是使用催化剂，K不变，所以K₅=K₆，所以K₄＞K₅=K₆=K₇，
根据t₃时刻升高了温度，平衡向着逆向移动，反应物转化率减小；t₄-t₅时使用催化剂，转化率不变；t₆时减小了压强，平衡向着逆向移动，反应物转化率减小，所以t₂～t₃段A的转化率最高，
故答案为：K₄＞K₅=K₆=K₇； t₂～t₃．

点评 本题考查了热化学方程式书写、盖斯定律计算、反应热与能源，为高频考点，把握物质的性质、反应中的能量变化、化学研究等为解答的关键，侧重分析与应用能力的考查，注意化学研究方案的可行性分析，题目难度中等．