Question

1．研究CO₂、CO的利用对促进低碳社会的构建具有重要意义，CO₂、CO都可用于合成甲醇．

（1）CO₂用于合成甲醇的热化学方程式为：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H
①该反应的平衡常数表达式为K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）•c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）•{c}^{3}（H）}$．
②取一定体积CO₂和H₂的混合气体（物质的量之比为1：3），加入恒容密闭容器中发生上述反应，反应过程中测得甲醇的体积分数φ（CH₃OH）与反应温度T的关系如1图所示，则该反应的△H＜0（填“＞”、“＜”或“=”）．
③科学家现正研发的以实现CO₂转化为甲醇在常温常压下进行的装置如图2所示，写出甲槽的电极反应式CO₂+6e^-+6H⁺=CH₃OH+H₂O．
（2）CO用于合成甲醇的热化学方程式为：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H，在压强为0.1MPa、温度为300℃条件下，将a mol CO与2a mol H₂的混合气体在催化剂作用下发生下面反应2生成甲醇，下列图象如图4正确且说明可逆反应达到平衡状态的是AB．（填序号）

（3）以CH₄和H₂O为原料，也可通过下列反应1和反应2来制备甲醇．
反应1：CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）△H=+206.0kJ•mol^-1
反应2：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H=-129.0kJ•mol^-1
①CH₄（g）与H₂O（g）反应生成CH₃OH（g）和H₂（g）的热化学方程式为CH₄（g）+H₂O（g）=CH₃OH （g）+H₂（g））△H=+77kJ•mol^-1．
②已知：在700℃，1MPa时，1mol CH₄与1mol H₂O在1L密闭容器中发生反应1，6min达到平衡（如图3），此时CH₄的转化率为80%．根据图3分析，由第一次平衡到第二次平衡，平衡向逆反应方向移动（填“正反应”或“逆反应”），采取的措施可能是将容器体积缩小为原来的$\frac{1}{2}$或加入等量的氢气．

Answer 1

分析 （1）①平衡常数等于生成物的浓度系数次幂之积除以反应物浓度系数次幂之积；
②根据温度对平衡移动的影响判断反应热的符号；
③甲槽为CO₂得电子发生还原反应生成CH₃OH，据此书写反应式；
（2）根据平衡状态的本质和表观现象分析；
（3）①根据盖斯定律：1：CH₄ （g）+H₂O （g）=CO （g）+3H₂ （g）△H=+206.0kJ•mol^-1
2：CO （g）+2H₂ （g）=CH₃OH （g）△H=-129.0kJ•mol^-1
依据盖斯定律，1+2得到要书写的热化学方程式．
②CH₄（g）+H₂O（g）$?_{催化剂}^{高温}$CO₂（g）+3H₂（g）
起始（mol/L）：1        1           0        0
变化（mol/L）：0.8       0.8        0.8      2.4
平衡（mol/L）：0.2       0.2        0.8      2.4
此时CH₄的转化率为$\frac{0.8}{1}$×100%=80%；
由图3可知，在7min时，氢气的浓度增大了一倍，可能是缩小体积为原来的$\frac{1}{2}$或增加了等量的氢气，平衡均是逆向移动．

解答 解：（1）①二氧化碳合成甲醇是碳减排的新方向，将CO₂转化为甲醇的热化学方程式为：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g），其平衡常数K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）•c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）•{c}^{3}（H）}$，
故答案为：$\frac{c（C{H}_{3}OH）•c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）•{c}^{3}（H）}$；
②根据图象可知达到平衡后，温度越高，甲醇的体积分数φ（CH₃OH）越小，说明升高温度平衡逆移，则正反应方向为放热反应，则△H＜0，
故答案为：＜；
③根据图2，甲槽为CO₂得电子发生还原反应生成CH₃OH，反应式为CO₂+6e^-+6H⁺═CH₃OH+H₂O，
故答案为：CO₂+6e^-+6H⁺═CH₃OH+H₂O；
（2）A．在一定的时间后，氢气含量不变为平衡状态，故A正确；
B..在一定的时间后，温度不变为平衡状态，故B正确；
C．反应的焓变与反应是否达平衡无关，故C错误；
D．反应条件为恒压，故压强不变不能判断反应是否达平衡，故D错误．
故答案为：AB；
（3）①根据盖斯定律：1：CH₄ （g）+H₂O （g）=CO （g）+3H₂ （g）△H=+206.0kJ•mol^-1
2：CO （g）+2H₂ （g）=CH₃OH （g）△H=-129.0kJ•mol^-1
依据盖斯定律，1+2得到：CH₄（g）+H₂O（g）=CH₃OH （g）+H₂（g））△H=+77kJ•mol^-1，
故答案为：CH₄（g）+H₂O（g）=CH₃OH （g）+H₂（g））△H=+77kJ•mol^-1；
②CH₄（g）+H₂O（g）$?_{催化剂}^{高温}$CO₂（g）+3H₂（g）
起始（mol/L）：1        1           0        0
变化（mol/L）：0.8       0.8        0.8      2.4
平衡（mol/L）：0.2       0.2        0.8      2.4
此时CH₄的转化率为$\frac{0.8}{1}$×100%=80%；
由图3可知，在7min时，氢气的浓度增大了一倍，可能是缩小体积为原来的$\frac{1}{2}$或增加了等量的氢气，无论是增大压强，还是增大氢气的浓度，平衡均是逆向移动，
故答案为：80%；逆反应；将容器体积缩小为原来的$\frac{1}{2}$或加入等量的氢气．

点评 本题考查了盖斯定律的应用、化学平衡影响因素和化学平衡常数以及转化率的计算、燃料电池的电极反应式的书写，综合性较强，为历年高考高频考点，侧重于化学反应原理和图象分析能力的培养，题目难度中等．