Question

我國是個(gè)鋼鐵大國，鋼鐵產(chǎn)量為世界第一，高爐煉鐵是最為普遍的煉鐵方法．
I．已知反應(yīng)

1

3

Fe₂O₃（s）+CO（g）?

2

3

Fe（s）+CO₂（g）△H=-23.5kJ?mol^-1，該反應(yīng)在1000℃的平衡常數(shù)等于4．在一個(gè)容積為10L的密閉容器中，1000℃時(shí)加入Fe、Fe₂O₃、CO、CO₂各1.0mol，反應(yīng)經(jīng)過l0min后達(dá)到平衡．
（1）CO的平衡轉(zhuǎn)化率=

 

（2）欲提高CO的平衡轉(zhuǎn)化率，促進(jìn)Fe₂O₃的轉(zhuǎn)化，可采取的措施是

 

a．提高反應(yīng)溫度          
b．增大反應(yīng)體系的壓強(qiáng)           
c．選取合適的催化劑
d．及時(shí)吸收或移出部分CO₂e．粉碎礦石，使其與平衡混合氣體充分接觸
Ⅱ．高爐煉鐵產(chǎn)生的廢氣中的CO可進(jìn)行回收，使其在一定條件下和H₂反應(yīng)制備甲醇：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）．請(qǐng)根據(jù)圖示回答下列問題：

（1）從反應(yīng)開始到平衡，用H₂濃度變化表示平均反應(yīng)速率v（H₂）=

 

（2）若在溫度和容器相同的三個(gè)密閉容器中，按不同方式投入反應(yīng)物，測得反應(yīng)達(dá)到平衡吋的有關(guān)數(shù)據(jù)如下表：

容器	反應(yīng)物投入的量	反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率	CH3OH的濃度	能量變化（Q1、Q2、Q3均大于0）
甲	1mol CO和2mol H2	α1	c1	放出Q1kJ熱量
乙	1mol CH3OH	α2	c2	吸收Q2kJ熱量
丙	2mol CO和4mol H2	α3	c3	放出Q3kJ熱量

則下列關(guān)系正確的是

 

A．c₁=c₂ B．2Q₁=Q₃ C．2α₁=α₃ D．α₁+α₂=1   E該反應(yīng)若生成1mol CH₃OH，則放出（Q₁+Q₂）kJ熱量
Ⅲ．以甲烷為燃料的新型電池，其成本大大低于以氫為燃料的傳統(tǒng)燃料電池，目前得到廣泛的研究，圖3是目前研究較多的一類固體氧化物燃料電池工作原理示意圖．回答下列問題：
（1）B極上的電極反應(yīng)式為

 

（2）若用該燃料電池做電源，用石墨做電極電解100mL 1mol/L的硫酸銅溶液，當(dāng)兩極收集到的氣體體積相等時(shí)，理論上消耗的甲烷的體積為

 

（標(biāo)況下）．

Answer 1

考點(diǎn)：化學(xué)平衡的影響因素,常見化學(xué)電源的種類及其工作原理,物質(zhì)的量或濃度隨時(shí)間的變化曲線,等效平衡

專題：化學(xué)平衡專題,電化學(xué)專題

分析：I．（1）令平衡時(shí)CO的物質(zhì)的量變化為nmol，利用三段式表示出平衡時(shí)CO、CO₂的物質(zhì)的量，化學(xué)計(jì)量數(shù)都是1，利用物質(zhì)的量代替濃度代入平衡常數(shù)計(jì)算n的值，進(jìn)而計(jì)算CO的濃度變化量，再利用轉(zhuǎn)化率定義計(jì)算CO的轉(zhuǎn)化率；
（2）提高CO的平衡轉(zhuǎn)化率，應(yīng)使平衡向正反應(yīng)移動(dòng)，但不能增大CO的用量，結(jié)合選項(xiàng)根據(jù)平衡移動(dòng)原理分析；
Ⅱ（1）根據(jù)圖象中甲醇濃度變化量求出氫氣的濃度變化量，再根據(jù)v=

△c

△t

計(jì)算氫氣的反應(yīng)速率；
（2）甲與乙為完全等效平衡，平衡時(shí)對(duì)應(yīng)各組分的濃度、物質(zhì)的量、含量相等，根據(jù)轉(zhuǎn)化率表示甲、乙中CO的物質(zhì)的量，根據(jù)CO物質(zhì)的量相等判斷α₁、α₂；
令平衡時(shí)CO的物質(zhì)的量為nmol，CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）的反應(yīng)熱△H=-QkJ/mol，表示出平衡時(shí)甲、乙容器中熱量Q₁、Q₂，據(jù)此計(jì)算判斷；
丙與甲相比，等效為在甲平衡的基礎(chǔ)上再加入1mol CO和2mol H₂，壓強(qiáng)增大，平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，丙中反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率大于甲；
Ⅲ（1）B為負(fù)極，總反應(yīng)式為CH₄+2O₂+=CO₂+2H₂O，正極反應(yīng)式為：2O₂+8e^-=4O^2-，兩式相減可得負(fù)極電極反應(yīng)式；
（2）開始階段發(fā)生反應(yīng)：2Cu²⁺+2H₂O

電解  .

2Cu+O₂↑+4H⁺，銅離子完全放電后，發(fā)生反應(yīng)2H₂O

電解  .

2H₂↑+O₂↑，當(dāng)兩極收集到的氣體體積相等時(shí)，即氫氣與氧氣的體積相等，令是氫氣為xmol，根據(jù)電子轉(zhuǎn)移守恒列方程計(jì)算，再根據(jù)電子轉(zhuǎn)移守恒計(jì)算消耗的甲烷．

解答： 解：I（1）令平衡時(shí)CO的物質(zhì)的量變化為nmol，則：

1

3

Fe₂O₃（s）+CO（g）?

2

3

Fe（s）+CO₂（g）
開始（mol）：1                 1
變化（mol）：n                 n
平衡（mol）：1-n               n+1
所以

n+1

1-n

=4，解得n=0.6，則CO的平衡轉(zhuǎn)化率為

0.6mol

1mol

×100%=60%，
故答案為：60%；
（2）a．該反應(yīng)正反應(yīng)是放熱反應(yīng)，提高反應(yīng)溫度，平衡向逆反應(yīng)移動(dòng)，CO的平衡轉(zhuǎn)化率降低，故a錯(cuò)誤；
b．反應(yīng)前后氣體的物質(zhì)的量不變，減小容器的容積，增大壓強(qiáng)平衡不移動(dòng)，CO的平衡轉(zhuǎn)化率不變，故b錯(cuò)誤；
c．加入合適的催化劑，平衡不移動(dòng)，故c錯(cuò)誤；
d．移出部分CO₂，平衡向正反應(yīng)移動(dòng)，CO的平衡轉(zhuǎn)化率增大，故d正確；
e．粉碎礦石，使其與平衡混合氣體充分接觸，平衡不移動(dòng)，故e錯(cuò)誤；
故答案為：d；
Ⅱ（1）由圖可知，達(dá)到平衡時(shí)甲醇的濃度變化為0.75mol/L，則△c（H₂）=2×0.75mol/L=1.5mol/L，v（H₂）=

1.5mol/L

10min

=0.15mol/（L?min），
故答案為：0.15mol/（L?min）；
（2）A．甲、乙是完全等效平衡，平衡時(shí)各組分的濃度相等，所以平衡時(shí)甲醇的濃度c₁=c₂，故A正確；
B．丙與甲相比，等效為在甲平衡的基礎(chǔ)上再加入1mol CO和2mol H₂，壓強(qiáng)增大，平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，丙中反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率大于甲，丙中參加反應(yīng)的CO大于甲中的2倍，故2Q₁＜Q₃，故B錯(cuò)誤；
C．丙與甲相比，等效為在甲平衡的基礎(chǔ)上再加入1mol CO和2mol H₂，壓強(qiáng)增大，平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，丙中反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率大于甲，故α₁＜α₃ ，但2α₁≠α₃，故C錯(cuò)誤；
D．甲與乙是完全等效平衡，平衡時(shí)對(duì)應(yīng)各組分的含量完全相同，CO的轉(zhuǎn)化率為α₁，則平衡時(shí)CO的物質(zhì)的量為（1-α₁）mol，乙中平衡時(shí)甲醇的轉(zhuǎn)化率為α₂，乙中平衡時(shí)CO的物質(zhì)的量為α₂mol，故（1-α₁）=α₂，整理得α₁+α₂=1，故D正確；
E．令平衡時(shí)CO的物質(zhì)的量為nmol，CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）的反應(yīng)熱△H=-QkJ/mol，則Q₁=（1-n）Q、Q₂=nQ，整理得Q=Q₁+Q₂，故1mol CH₃OH，則放出（Q₁+Q₂）kJ熱量，故E正確，
故答案為：ADE；
Ⅲ（1）總反應(yīng)式為CH₄+2O₂+=CO₂+2H₂O，正極反應(yīng)式為：2O₂+8e^-=4O^2-，兩式相減，負(fù)極反應(yīng)為：CH₄-8e^-+4O^2-=CO₂+2H₂O，
故答案為：CH₄-8e^-+4O^2-=CO₂+2H₂O；
（2）硫酸銅的物質(zhì)的量=0.1L×1mol/L=0.1mol，開始階段發(fā)生反應(yīng)：2Cu²⁺+2H₂O

電解  .

2Cu+O₂↑+4H⁺，銅離子完全放電后，發(fā)生反應(yīng)2H₂O

電解  .

2H₂↑+O₂↑，當(dāng)兩極收集到的氣體體積相等時(shí)，即氫氣與氧氣的體積相等，令是氫氣為xmol，根據(jù)電子轉(zhuǎn)移守恒，則：0.1mol×2+2x=4x，解得x=0.1，
根據(jù)電子轉(zhuǎn)移守恒，可知消耗的甲烷物質(zhì)的量=

0.1mol×4

8

=0.05mol，故消耗甲烷的體積=0.05mol×22.4L/mol=1.12L，
故答案為：1.12L．

點(diǎn)評(píng)：本題綜合考查了化學(xué)平衡計(jì)算、等效平衡、電化學(xué)知識(shí)等，Ⅱ中等效平衡的計(jì)算，為該題的難點(diǎn)，也是易錯(cuò)點(diǎn)，注意理解等效平衡問題，Ⅲ中注意利用電子轉(zhuǎn)移守恒計(jì)算，題目整體計(jì)算量很大，思維量大，對(duì)學(xué)生的心理素質(zhì)有很高的要求，難度很大．