Question

8．為實現低碳低能耗，需要對含碳相關物質進行研究．
（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
采用甲烷和氧氣一步合成液態甲醇的熱化學方程式為CH₄（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）?CH₃OH（l）△H₁=-164.0kJ•mol^-1．
（2）治理汽車尾氣的反應是2NO（g）+2CO（g）?2CO₂（g）+N₂（g），△H＜0．反應達平衡后，改變一個條件，下列①到④的圖象不正確的是②．
（3）反應CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49.0kJ/mol．在體積為1L的恒容密閉容器甲中，充入1mol CO₂和4mol H₂，一定條件下發生反應：測得CO₂和CH₃OH（g）的濃度隨時間變化如圖2所示．

①該反應的平衡常數表達式為$\frac{c（C{H}_{3}OH）c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）{c}^{2}（{H}_{2}）}$．
②從反應開始到平衡，氫氣的平均反應速率v（H₂）=0.225mol/（L•min）．
③若在起始體積為1L的恒壓密閉容器乙中，充入1mol CO₂和4mol H₂，相同條件下發生反應，當達到平衡后，c（CO_2甲）＞c（CO_2乙）（填＞、＜、=）
（4）某模擬“人工樹葉”電化學實驗裝置如圖3所示，該裝置能將H₂O和CO₂轉化為O₂和燃料（C₃H₈O）．該裝置能量轉化關系為電能和光能轉化為化學能．a極的電極反應式為3CO₂+18H⁺+18e^?=C₃H₈O+5H₂O．

Answer 1

分析 （1）根據蓋斯定律得①+②+$\frac{1}{2}$×③甲烷和氧氣一步合成液態甲醇的熱化學方程式；
（2）2NO（g）+2CO（g）?2CO₂（g）+N₂（g），△H＜0．
①平衡常數與溫度有關，反應為放熱反應，升溫平衡逆向進行平衡常數減小；
②催化劑改變化學反應速率不改變化學平衡；
③平衡常數與溫度有關，溫度不變，則平衡常數始終不變；
④壓強增大平衡正向進行；
（3）CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49.0kJ/mol，
①化學平衡常數，是指在一定溫度下，可逆反應達到平衡時各生成物濃度的化學計量數次冪的乘積除以各反應物濃度的化學計量數次冪的乘積所得的比值，據此書寫；
②由圖可知，10min到達平衡，平衡時甲醇的濃度變化為0.75mol/L，根據濃度變化量之比等于化學計量數之比氫氣的濃度變化量，根據v=$\frac{△c}{△t}$計算v（H₂）；
③若在起始體積為1L的恒壓密閉容器乙中，充入1mol CO₂和4mol H₂，為保持恒壓體積增大，最后達到平衡狀態，和恒溫恒容容器中．充入1mol CO₂和4mol H₂相比，反應正向進行氣體體積減小，相當于減小體積壓強增大，平衡正向進行；
（4）根據圖知，電解時a是陰極、b是陽極，a電極上CO₂得電子生成C₃H₈O，陽極上水失電子生成O₂和H⁺，電極反應式為2H₂O-4e^-=O₂↑+4H⁺，陽極上CO₂得電子生成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
根據蓋斯定律：①+②+$\frac{1}{2}$×③得CH₄（g）+$\frac{1}{2}$O₂ （g）?CH₃OH（l）△H₁=-164.0kJ•mol^-1．
故答案為：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平衡常數與溫度有關，反應為放熱反應，升溫平衡逆向進行平衡常數減小，圖象可知曲線變化正確，故①正確；
②催化劑改變化學反應速率不改變化學平衡，反應物轉化率不變，故②錯誤；
③平衡常數與溫度有關，溫度不變，則平衡常數始終不變，改變NO物質的量是改變濃度不改變平衡常數，圖象變化正確，故③正確；
④反應正反應為氣體體積減小的反應，壓強增大平衡正向進行氮氣濃度增大，故④正確；
故答案為：②；
（3）①平衡常數等于生成物的濃度冪之積除以反應物的濃度冪之積，表達式K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}{c}^{3}（{H}_{2}））}$，
故答案為：$\frac{c（C{H}_{3}OH）c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}{c}^{3}（{H}_{2}））}$；
②利用三段式解題法計算
                       CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g），
開始（mol/L）：1               3                 0                0
變化（mol/L）：0.75        2.25             0.75           0.75
平衡（mol/L）：0.25        0.75            0.75             0.75
從反應開始到平衡，氫氣的平均反應速率v（H₂）=$\frac{2.25mol/L}{10min}$=0.225 mol•L^-1•min^-1，
故答案為：0.225；　
③若在起始體積為1L的恒壓密閉容器乙中，充入1mol CO₂和4mol H₂，為保持恒壓體積增大，最后達到平衡狀態，和恒溫恒容容器中．充入1mol CO₂和4mol H₂相比，反應正向進行氣體體積減小，相當于減小體積壓強增大，平衡正向進行，二氧化碳濃度c（CO_2甲）＞c（CO_2乙 ），
故答案為：＞；
（4）根據圖知，該裝置有外接電源，屬于電解池，該裝置是電解池裝置，是將電能轉化為化學能，所以該裝置將光能和電能轉化為化學能，電解時a是陰極、b是陽極，a電極上CO₂得電子生成C₃H₈O，陽極上水失電子生成O₂和H⁺，電極反應式為2H₂O-4e^-=O₂↑+4H⁺，a為陽極，陽極上CO₂得電子生成C₃H₈O，電極反應式為3CO₂+18H⁺+18e^-=C₃H₈O+5H₂O，
故答案為：電能和光能轉化為化學能；3CO₂+18H⁺+18e^?=C₃H₈O+5H₂O．

點評 本題考查了蓋斯定律的應用，弱電解質在水溶液中的電離平衡，物質的量的相關計算，化學平衡的計算及影響因素，綜合考查，難度較大．