Question

8．CH₄、H₂、C都是優(yōu)質的能源物質，它們燃燒的熱化學方程式為：
①CH₄（g）+2O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-890.3kJ•mol^-1
②2H₂（g）+O₂（g）═2H₂O（l）△H=-571.6kJ•mol^-1
③C（s）+O₂（g）═CO₂（g）△H=-393.5kJ•mol^-1
（1）在深海中存在一種甲烷細菌，它們依靠酶使甲烷與O₂作用產生的能量存活，甲烷細菌使1mol甲烷生成CO₂氣體與液態(tài)水，放出的能量=（填“＞”“＜”或“=”）890.3kJ．
（2）甲烷與CO₂可用于合成合成氣（主要成分是一氧化碳和氫氣）：CH₄+CO₂═2CO+2H₂，1g CH₄完全反應可釋放15.46kJ的熱量，則：
①能表示該反應過程中能量變化的是（圖1）D（填字母）．
②若將物質的量均為1mol的CH₄與CO₂充入某恒容密閉容器中，體系放出的熱量隨著時間的變化如圖2所示，則CH₄的轉化率為63%．

（3）C（s）與H₂（g）不反應，所以C（s）+2H₂（g）═CH₄（g）的反應熱無法直接測量，但通過上述反應可求出C（s）+2H₂（g）═CH₄（g）的反應熱△H=-74.8kJ•mol^-1．
（4）目前對于上述三種物質的研究是燃料研究的重點，下列關于上述三種物質的研究方向中可行的是C（填字母）．
A．尋找優(yōu)質催化劑，使CO₂與H₂O反應生成CH₄與O₂，并放出熱量
B．尋找優(yōu)質催化劑，在常溫常壓下使CO₂分解生成碳與O₂
C．尋找優(yōu)質催化劑，利用太陽能使大氣中的CO₂與海底開采的CH₄合成合成氣（CO、H₂）
D．將固態(tài)碳合成為C₆₀，以C₆₀作為燃料
（5）工業(yè)上合成甲醇的反應：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H=-90.8kJ•mol^-1，若在溫度相同、容積均為2L的3個容器中，按不同方式投入反應物，保持恒溫、恒容，測得反應達到平衡時如表：

容器	甲	乙	丙
反應物投入量	1molCO、2mol H2	1mol CH3OH	2mol CO、4mol H2
CH3OH的濃度（mol/L）	c1=0.25	c2	c3
反應的能量變化	放出Q1 kJ	吸收Q2 kJ	放出Q3 kJ
平衡常數(shù)	K1	K2	K3
反應物轉化率	α1	α2	α3

①下列不能說明該反應在恒溫恒容條件下已達化學平衡狀態(tài)的是BC．
A．v_正（H₂）=2v_逆（CH₃OH）  B．n（CO）﹕n（H₂）﹕n（CH₃OH）=1﹕2：1
C．混合氣體的密度不變   D．混合氣體的平均相對分子質量不變 E．容器的壓強不變
②下列說法正確的是AC．
A．c₁=c₂      B．Q₁=Q₂     C．K₁=K₂      D．α₂+α₃＜100%
③如圖表示該反應的反應速率v和時間t的關系圖（圖3）：

各階段的平衡常數(shù)如表所示：

t2～t3	t4～t5	t5～t6	t7～t8
K4	K5	K6	K7

K₄、K₅、K₆、K₇之間的關系為K₄＞K₅=K₆=K₇（填“＞”、“＜”或“=”）．反應物的轉化率最大的一段時間是t₂～t₃．

Answer 1

分析 （1）CH₄（g）+2O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-890，.3kJ•mol^-1，得到甲烷細菌使1mol甲烷生成CO₂氣體與液態(tài)水放出的熱量；
（2）①甲烷與CO₂可用于合成合成氣（主要成分是一氧化碳和氫氣）：CH₄+CO₂═2CO+2H₂，1g CH₄完全反應可釋放15.46kJ的熱量，計算1mol甲烷完全反應放出的熱量，反應為放熱反應，據(jù)此分析圖象判斷；
②依據(jù)①計算得到的反應的焓變，圖中中是反應達到平衡狀態(tài)時放熱155.8KJ，計算反應的甲烷得到轉化率；
（3）已知：①CH₄（g）+2O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l）；△H₁=-890.3kJ/mol；
②2H₂（g）+O₂（g）═2H₂O（l）△H=-571.6kJ•mol^-1
③C（s）+O₂（g）=CO₂（g）；△H₂=-393.5kJ/mol
反應C（石墨，s）+2H₂（g）=CH₄（g）可以是②+③-①得到，由此分析解答；
（4）A．CO₂與H₂O反應生成CH₄和O₂，為吸熱反應；
B．使CO₂分解生成碳與O₂的反應為吸熱反應，常溫下不能發(fā)生；
C．大氣中的CO₂和海底開采的CH₄合成合成氣（CO、H₂），具有可行性；
D．將固態(tài)碳合成C₆₀，以C₆₀作燃料，產物相同；
（5）①可逆反應達到平衡狀態(tài)，一定滿足正逆反應速率相等，各組分的濃度、百分含量不再變化，據(jù)此進行判斷；
②在恒溫恒容條件下，甲加入1molCO、2molH₂與乙中1molCH₃OH為等效平衡，而丙中加入2molCO、4molH₂，與甲相比，丙增大了壓強，平衡向著正向移動，據(jù)此進行解答；
③溫度不變，化學平衡常數(shù)不變，t₃時刻，正逆反應速率都增大，且逆反應速率變化大，平衡向逆反應移動，應該為升高了溫度；t₆時刻，正逆反應速率都減小，且正反應速率變化大，平衡向逆反應移動，據(jù)此進行解答．

解答 解：（1）CH₄（g）+2O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-890.3kJ•mol^-1，得到甲烷細菌使1mol甲烷生成CO₂氣體與液態(tài)水放出的熱量等于890.3kJ•mol^-1，
故答案為：=；
（2）①甲烷與CO₂可用于合成合成氣（主要成分是一氧化碳和氫氣）：CH₄+CO₂═2CO+2H₂，1g CH₄完全反應可釋放15.46kJ的熱量，計算1mol甲烷完全反應放出的熱量=15.46KJ×16=247.36KJ，反應焓變△H=-247.36KJ/mol，反應為放熱反應，反應物能量高于生成物，反應的熱化學方程式為：CH_4（g）+CO_2（g）═2CO（g）+2H_2（g），△H=-247.36KJ/mol，符合能量變化的圖象只有D符合，
故答案為：D；  
 ②反應的熱化學方程式為：CH_4（g）+CO_2（g）═2CO（g）+2H_2（g），△H=-247.36KJ/mol，圖象可知反應達到平衡狀態(tài)放出熱量155.80KJ，則反應的甲烷物質的量=$\frac{155.80KJ}{247.36KJ/mol}$=0.63mol，甲烷轉化率為63%，
故答案為：63%；
（3）已知：①CH₄（g）+2O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l）；△H₁=-890.3kJ/mol；
②2H₂（g）+O₂（g）═2H₂O（l）△H=-571.6kJ•mol^-1
③C（s）+O₂（g）=CO₂（g）；△H₂=-393.5kJ/mol
蓋斯定律計算，②+③-①得到，反應C（石墨，s）+2H₂（g）=CH₄（g）△H=-74.8 kJ•mol^-1，
故答案為：-74.8 kJ•mol^-1；
（4）A．甲烷與氧氣的反應為放熱反應，可知CO₂與H₂O反應生成CH₄和O₂為吸熱反應，故A錯誤；
B．使CO₂分解生成碳與O₂的反應為吸熱反應，常溫下不能發(fā)生，故B項不正確；
C．大氣中的CO₂和海底開采的CH₄合成合成氣（CO、H₂），具有可行性，利用優(yōu)質催化劑、太陽能實現(xiàn)轉化，故C正確；
D．將固態(tài)碳合成C₆₀，以C₆₀作燃料，產物相同，研究方向不可行，故D錯誤；
故答案為：C；
（5）①A．v_正（H₂）=2v_逆（CH₃OH），表示的是正逆反應速率，且滿足二者計算量關系，說明反應達到平衡狀態(tài)，故A錯誤；
B．n（CO）：n（H₂）：n（CH₃OH）=1：2：1，物質的量之比，無法判斷正逆反應速率是否相等，無法判斷是否達到平衡狀態(tài)，故B正確；
C．混合氣體的密度不變，反應前后都是氣體，容器的容積不變，所以氣體的密度始終不變，密度不能作為判斷平衡狀態(tài)的依據(jù)，故C正確；
D．該反應是氣體體積縮小的反應，反應過程中氣體的物質的量發(fā)生變化，混合氣體的平均分子量發(fā)生變化，若混合氣體的平均相對分子質量不變，說明達到了平衡狀態(tài)，故D錯誤；
E．該反應是體積縮小的反應，氣體的物質的量在反應中發(fā)生變化，若容器的壓強不變，說明正逆反應速率相等，達到了平衡狀態(tài)，故E錯誤；
故答案為：BC；
②A、恒溫恒容條件下，甲加入1molCO、2molH₂與乙中1molCH₃OH為等效平衡，則達到平衡時各組分的濃度都相等，所以c₁=c₂，故A正確；
B、由于甲和乙是從不同方向進行的反應，則甲放出的熱量與乙吸收的熱量不一定相等，故B錯誤；
C、由于甲和乙為從不同的方向進行的可逆反應，兩個反應中溫度相同，則平衡常數(shù)不變，所以K₁=K₂，故C正確；
D、甲和乙為等效平衡，反應的方向完全不同，所以a₁=a₂，用于丙中濃度為甲的2倍，相當于增大了壓強，丙中反應物轉化率大于甲，即a₃＞a₁，所以a₂+a₃＞100%，故D錯誤；
故答案為：AC；
③t₃時刻，正逆反應速率都增大，且逆反應速率變化大，平衡向逆反應移動，應為升高溫度，所以K₄＞K₅；
t₆時刻，正逆反應速率都減小，且正反應速率變化大，平衡向逆反應移動；應為降低壓強，所以K₆=K₇；
t₅～t₆正逆速率都增大，平衡不移動，應是使用催化劑，K不變，所以K₅=K₆，所以K₄＞K₅=K₆=K₇，
根據(jù)t₃時刻升高了溫度，平衡向著逆向移動，反應物轉化率減小；t₄-t₅時使用催化劑，轉化率不變；t₆時減小了壓強，平衡向著逆向移動，反應物轉化率減小，所以t₂～t₃段A的轉化率最高，
故答案為：K₄＞K₅=K₆=K₇； t₂～t₃．

點評 本題考查了熱化學方程式書寫、蓋斯定律計算、反應熱與能源，為高頻考點，把握物質的性質、反應中的能量變化、化學研究等為解答的關鍵，側重分析與應用能力的考查，注意化學研究方案的可行性分析，題目難度中等．