Question

3．研究CO₂的利用对促进低碳社会的构建具有重要意义．

（1）将CO₂与焦炭作用生成CO，CO可用于炼铁等．已知：
①Fe₂O₃（s）+3C（s，石墨）═2Fe（s）+3CO（g）△H₁=+489.0kJ•mol^-1
②C（s，石墨）+CO₂（g）═2CO（g）△H₂=+172.5kJ•mol^-1
则CO还原Fe₂O₃（s）的热化学方程式为Fe₂O₃（s）+3CO（g）=2Fe（s）+3CO₂（g）△H=-28.5kJ•mol^-1．
（2）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）△H
①该反应的平衡常数表达式为K=$\frac{[C{H}_{3}OH]•[{H}_{2}O]}{[C{O}_{2}]•[{H}_{2}]^{3}}$．
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的关系如图1所示，则该反应的△H＜0（填“＞”、“＜”或“=”，下同）．
（3）以CO₂为原料还可以合成多种物质．用硫酸溶液作电解质进行电解，CO₂在电极上可转化为甲烷，该电极反应的方程式为CO₂+8e^-+8H⁺=CH₄+2H₂O．

Answer 1

分析 1）依据热化学方程式和盖斯定律计算得到所需热化学方程式；
（2）①依据化学方程式和平衡常数概念写出平衡常数表达式；
②由图可知最高点反应到达平衡，到达平衡后，温度越高，φ（CH₃OH）越小，升高温度平衡向逆反应进行，据此判断；
（3）根据原电池原理，CO₂在正极发生还原反应转化为甲烷，注意电解质溶液为酸性．

解答 解：（1）①Fe₂O₃（s）+3C（石墨）=2Fe（s）+3CO（g）△H₁=+489.0kJ•mol^-1
②C（石墨）+CO₂（g）=2CO（g）△H₂=+172.5kJ•mol^-1
依据盖斯定律①-②×3得到Fe₂O₃（s）+3CO（g）=2Fe（s）+3CO₂（g）△H=-28.5 kJ•mol^-1；
故答案为：Fe₂O₃（s）+3CO（g）=2Fe（s）+3CO₂（g）△H=-28.5 kJ•mol^-1；
（2）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，所以K=$\frac{[C{H}_{3}OH]•[{H}_{2}O]}{[C{O}_{2}]•[{H}_{2}]^{3}}$，
故答案为：；
②由图可知最高点反应到达平衡，达平衡后，温度越高，φ（CH₃OH）越小，平衡向逆反应进行，升高温度平衡吸热方向进行，逆反应为吸热反应，则正反应为放热反应，即△H＜0，
故答案为：＜；
（3）CO₂在正极发生还原反应转化为甲烷，考虑电解质为硫酸，所以甲烷中氢来源为硫酸电离的氢离子，根据化合价变化可知1mol二氧化碳变成甲烷得到8mol电子，故电极反应为：CO₂+8e^-+8H⁺=CH₄+2H₂O，
故答案为：CO₂+8e^-+8H⁺=CH₄+2H₂O．

点评 本题考查了热化学方程式的书写、化学平衡移动、平衡常数概念理解、转化率的计算及原电池原理的分析应用等，题目涉及的知识点较多，综合性较强，难度中等．分析图象时，要考虑先拐先平衡的原则，则反应条件为温度高或压强大，写电极反应式一定要考虑介质的参与．