Question

3．研究CO₂的利用對促進低碳社會的構建具有重要意義．

（1）將CO₂與焦炭作用生成CO，CO可用于煉鐵等．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
則CO還原Fe₂O₃（s）的熱化學方程式為Fe₂O₃（s）+3CO（g）=2Fe（s）+3CO₂（g）△H=-28.5kJ•mol^-1．
（2）二氧化碳合成甲醇是碳減排的新方向，將CO₂轉化為甲醇的熱化學方程式為：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H
①該反應的平衡常數表達式為K=$\frac{[C{H}_{3}OH]•[{H}_{2}O]}{[C{O}_{2}]•[{H}_{2}]^{3}}$．
②取一定體積CO₂和H₂的混合氣體（物質的量之比為1：3），加入恒容密閉容器中，發生上述反應反應過程中測得甲醇的體積分數φ（CH₃OH）與反應溫度T的關系如圖1所示，則該反應的△H＜0（填“＞”、“＜”或“=”，下同）．
（3）以CO₂為原料還可以合成多種物質．用硫酸溶液作電解質進行電解，CO₂在電極上可轉化為甲烷，該電極反應的方程式為CO₂+8e^-+8H⁺=CH₄+2H₂O．

Answer 1

分析 1）依據熱化學方程式和蓋斯定律計算得到所需熱化學方程式；
（2）①依據化學方程式和平衡常數概念寫出平衡常數表達式；
②由圖可知最高點反應到達平衡，到達平衡后，溫度越高，φ（CH₃OH）越小，升高溫度平衡向逆反應進行，據此判斷；
（3）根據原電池原理，CO₂在正極發生還原反應轉化為甲烷，注意電解質溶液為酸性．

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
依據蓋斯定律①-②×3得到Fe₂O₃（s）+3CO（g）=2Fe（s）+3CO₂（g）△H=-28.5 kJ•mol^-1；
故答案為：Fe₂O₃（s）+3CO（g）=2Fe（s）+3CO₂（g）△H=-28.5 kJ•mol^-1；
（2）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，所以K=$\frac{[C{H}_{3}OH]•[{H}_{2}O]}{[C{O}_{2}]•[{H}_{2}]^{3}}$，
故答案為：；
②由圖可知最高點反應到達平衡，達平衡后，溫度越高，φ（CH₃OH）越小，平衡向逆反應進行，升高溫度平衡吸熱方向進行，逆反應為吸熱反應，則正反應為放熱反應，即△H＜0，
故答案為：＜；
（3）CO₂在正極發生還原反應轉化為甲烷，考慮電解質為硫酸，所以甲烷中氫來源為硫酸電離的氫離子，根據化合價變化可知1mol二氧化碳變成甲烷得到8mol電子，故電極反應為：CO₂+8e^-+8H⁺=CH₄+2H₂O，
故答案為：CO₂+8e^-+8H⁺=CH₄+2H₂O．

點評 本題考查了熱化學方程式的書寫、化學平衡移動、平衡常數概念理解、轉化率的計算及原電池原理的分析應用等，題目涉及的知識點較多，綜合性較強，難度中等．分析圖象時，要考慮先拐先平衡的原則，則反應條件為溫度高或壓強大，寫電極反應式一定要考慮介質的參與．