Question

8．为实现低碳低能耗，需要对含碳相关物质进行研究．
（1）已知：①CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）△H₁=+206.1kJ•mol^-1
②H₂（g）+CO（g）?CH₃OH（1）△H₂=-128.3kJ•mol^-1
③2H₂（g）+O₂（g）?2H₂O（g）△H₃=-483.6kJ•mol^-1
采用甲烷和氧气一步合成液态甲醇的热化学方程式为CH₄（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）?CH₃OH（l）△H₁=-164.0kJ•mol^-1．
（2）治理汽车尾气的反应是2NO（g）+2CO（g）?2CO₂（g）+N₂（g），△H＜0．反应达平衡后，改变一个条件，下列①到④的图象不正确的是②．
（3）反应CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49.0kJ/mol．在体积为1L的恒容密闭容器甲中，充入1mol CO₂和4mol H₂，一定条件下发生反应：测得CO₂和CH₃OH（g）的浓度随时间变化如图2所示．

①该反应的平衡常数表达式为$\frac{c（C{H}_{3}OH）c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）{c}^{2}（{H}_{2}）}$．
②从反应开始到平衡，氢气的平均反应速率v（H₂）=0.225mol/（L•min）．
③若在起始体积为1L的恒压密闭容器乙中，充入1mol CO₂和4mol H₂，相同条件下发生反应，当达到平衡后，c（CO_2甲）＞c（CO_2乙）（填＞、＜、=）
（4）某模拟“人工树叶”电化学实验装置如图3所示，该装置能将H₂O和CO₂转化为O₂和燃料（C₃H₈O）．该装置能量转化关系为电能和光能转化为化学能．a极的电极反应式为3CO₂+18H⁺+18e^?=C₃H₈O+5H₂O．

Answer 1

分析 （1）根据盖斯定律得①+②+$\frac{1}{2}$×③甲烷和氧气一步合成液态甲醇的热化学方程式；
（2）2NO（g）+2CO（g）?2CO₂（g）+N₂（g），△H＜0．
①平衡常数与温度有关，反应为放热反应，升温平衡逆向进行平衡常数减小；
②催化剂改变化学反应速率不改变化学平衡；
③平衡常数与温度有关，温度不变，则平衡常数始终不变；
④压强增大平衡正向进行；
（3）CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49.0kJ/mol，
①化学平衡常数，是指在一定温度下，可逆反应达到平衡时各生成物浓度的化学计量数次幂的乘积除以各反应物浓度的化学计量数次幂的乘积所得的比值，据此书写；
②由图可知，10min到达平衡，平衡时甲醇的浓度变化为0.75mol/L，根据浓度变化量之比等于化学计量数之比氢气的浓度变化量，根据v=$\frac{△c}{△t}$计算v（H₂）；
③若在起始体积为1L的恒压密闭容器乙中，充入1mol CO₂和4mol H₂，为保持恒压体积增大，最后达到平衡状态，和恒温恒容容器中．充入1mol CO₂和4mol H₂相比，反应正向进行气体体积减小，相当于减小体积压强增大，平衡正向进行；
（4）根据图知，电解时a是阴极、b是阳极，a电极上CO₂得电子生成C₃H₈O，阳极上水失电子生成O₂和H⁺，电极反应式为2H₂O-4e^-=O₂↑+4H⁺，阳极上CO₂得电子生成C₃H₈O．

解答 解：（1）由①CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）△H₁=+206.1kJ•mol^-1
②2H₂（g）+CO（g）?CH₃OH（l）△H₂=-128.3kJ•mol^-1
③2H₂（g）+O₂（g）?2H₂O （g）△H₃=-483.6kJ•mol^-1
根据盖斯定律：①+②+$\frac{1}{2}$×③得CH₄（g）+$\frac{1}{2}$O₂ （g）?CH₃OH（l）△H₁=-164.0kJ•mol^-1．
故答案为：CH₄（g）+$\frac{1}{2}$O₂ （g）?CH₃OH（l）△H₁=-164.0kJ•mol^-1；
（2）2NO（g）+2CO（g）?2CO₂（g）+N₂（g）△H＜0．
①平衡常数与温度有关，反应为放热反应，升温平衡逆向进行平衡常数减小，图象可知曲线变化正确，故①正确；
②催化剂改变化学反应速率不改变化学平衡，反应物转化率不变，故②错误；
③平衡常数与温度有关，温度不变，则平衡常数始终不变，改变NO物质的量是改变浓度不改变平衡常数，图象变化正确，故③正确；
④反应正反应为气体体积减小的反应，压强增大平衡正向进行氮气浓度增大，故④正确；
故答案为：②；
（3）①平衡常数等于生成物的浓度幂之积除以反应物的浓度幂之积，表达式K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}{c}^{3}（{H}_{2}））}$，
故答案为：$\frac{c（C{H}_{3}OH）c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}{c}^{3}（{H}_{2}））}$；
②利用三段式解题法计算
                       CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g），
开始（mol/L）：1               3                 0                0
变化（mol/L）：0.75        2.25             0.75           0.75
平衡（mol/L）：0.25        0.75            0.75             0.75
从反应开始到平衡，氢气的平均反应速率v（H₂）=$\frac{2.25mol/L}{10min}$=0.225 mol•L^-1•min^-1，
故答案为：0.225；　
③若在起始体积为1L的恒压密闭容器乙中，充入1mol CO₂和4mol H₂，为保持恒压体积增大，最后达到平衡状态，和恒温恒容容器中．充入1mol CO₂和4mol H₂相比，反应正向进行气体体积减小，相当于减小体积压强增大，平衡正向进行，二氧化碳浓度c（CO_2甲）＞c（CO_2乙 ），
故答案为：＞；
（4）根据图知，该装置有外接电源，属于电解池，该装置是电解池装置，是将电能转化为化学能，所以该装置将光能和电能转化为化学能，电解时a是阴极、b是阳极，a电极上CO₂得电子生成C₃H₈O，阳极上水失电子生成O₂和H⁺，电极反应式为2H₂O-4e^-=O₂↑+4H⁺，a为阳极，阳极上CO₂得电子生成C₃H₈O，电极反应式为3CO₂+18H⁺+18e^-=C₃H₈O+5H₂O，
故答案为：电能和光能转化为化学能；3CO₂+18H⁺+18e^?=C₃H₈O+5H₂O．

点评 本题考查了盖斯定律的应用，弱电解质在水溶液中的电离平衡，物质的量的相关计算，化学平衡的计算及影响因素，综合考查，难度较大．