Question

11．研究和深度開發(fā)CO、CO₂的應(yīng)用對(duì)構(gòu)建生態(tài)文明社會(huì)具有重要的意義．
（1）CO可用于煉鐵，已知：
Fe₂O₃（s）+3C（s）=2Fe（s）+3CO（g）△H₁=+489.0kJ•mol^-1
C（s）+CO₂（g）=2CO（g）△H₂=+172.5kJ•mol^-1
則CO還原Fe₂O₃（s）的熱化學(xué)方程式為Fe₂O₃（s）+3CO（g）=2Fe（s）+3CO₂（g）△H=-28.5 kJ•mol^-1．
（2）分離高爐煤氣得到的CO與空氣可設(shè)計(jì)成燃料電池，若電解質(zhì)為堿性．寫出該燃料電池的負(fù)極反應(yīng)式CO+4OH^--2e^-=CO₃^2-+2H₂O．
（3）CO₂和H₂充入一定體積的密閉容器中，在兩種溫度下發(fā)生反應(yīng)：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）；測得CH₃OH的物質(zhì)的量隨時(shí)間的變化圖：
①由圖判斷該反應(yīng)△H＜ 0，曲線 I、II對(duì)應(yīng)的平衡常數(shù)K_I＞K_II（填“＞”或“=”或“＜”）．
②一定溫度下，在容積相同且固定的兩個(gè)密閉容器中，按如下方式加入反應(yīng)物，一段時(shí)間后達(dá)到平衡．

容  器	甲	乙
反應(yīng)物投入量	1molCO2、3molH2	a molCO2、b molH2、 c molCH3OH（g）、c molH2O（g）

若甲中平衡后氣體的壓強(qiáng)為開始的0.8倍，要使平衡后乙與甲中相同組分的體積分?jǐn)?shù)相等，且起始時(shí)維持化學(xué)反應(yīng)向逆反應(yīng)方向進(jìn)行，則c的取值范圍為0.4＜n（c）≤1．
③一定溫度下，此反應(yīng)在恒容密閉容器中進(jìn)行，能判斷該反應(yīng)達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)的依據(jù)是a b．
a．容器中壓強(qiáng)不變       b．H₂的體積分?jǐn)?shù)不變   c．c（H₂）=3c（CH₃OH）    
d．容器中密度不變     e．2個(gè)C=O斷裂的同時(shí)有3個(gè)C-H形成
（4）將燃煤廢氣中的CO₂轉(zhuǎn)化為二甲醚的反應(yīng)原理為：2CO₂（g）+6H₂（g）=CH₃OCH₃（g）+3H₂O（g）．二甲醚可用作直接燃料電池，1mol二甲醚分子經(jīng)過電化學(xué)氧化，可以產(chǎn)生12N_A個(gè)電子的電量；根據(jù)化學(xué)反應(yīng)原理，分析增加壓強(qiáng)對(duì)制備二甲醚反應(yīng)的影響該反應(yīng)分子數(shù)減少，壓強(qiáng)增加使平衡右移，CH₃OCH₃產(chǎn)率增加；壓強(qiáng)增加使CO和H₂濃度增加，反應(yīng)速率增大．

Answer 1

分析 （1）依據(jù)熱化學(xué)方程式 和蓋斯定律計(jì)算①-②×3得到，分析判斷；
（2）CO燃料電池中，負(fù)極上是CO發(fā)生失電子的氧化反應(yīng)，正極上是氧氣發(fā)生得電子的還原反應(yīng)，又因?yàn)殡娊赓|(zhì)是KOH溶液，不會(huì)在電極上放出二氧化碳；
（3）①根據(jù)圖象可知，線Ⅱ的反應(yīng)速率大于線Ⅰ，所以線Ⅱ?qū)��?yīng)的溫度高于線Ⅰ，而線Ⅱ?qū)��?yīng)的甲醇的物質(zhì)的量小，也就是說溫度高反應(yīng)平衡逆向移動(dòng)，據(jù)此判斷反應(yīng)的△H；根據(jù)溫度對(duì)平衡移動(dòng)的影響可知，升高溫度，平衡向吸熱方向移動(dòng)，據(jù)此判斷平衡常數(shù)的變化；
②根據(jù)平衡三部曲求出甲中平衡時(shí)各氣體的物質(zhì)的量，然后根據(jù)平衡后乙與甲中相同組分的體積分?jǐn)?shù)相等，且起始時(shí)維持反應(yīng)逆向進(jìn)行來判斷范圍；
③達(dá)到反應(yīng)平衡狀態(tài)時(shí)，在一定條件下的可逆反應(yīng)里，正反應(yīng)速率和逆反應(yīng)速率相等，反應(yīng)混合物中各組成成分的百分含量保持不變，該反應(yīng)就達(dá)到平衡狀態(tài)，據(jù)此分析解答；
（4）由反應(yīng)可知：2CO₂（g）+6H₂（g）=CH₃OCH₃（g）+3H₂O（g），1mol二甲醚分子經(jīng)過電化學(xué)氧化生成二氧化碳和水，所以相當(dāng)于氧化6mol的氫氣，所以轉(zhuǎn)移12N_A 電子，反應(yīng)前后氣體體積減小，增加壓強(qiáng)平衡正向進(jìn)行；

解答 解：（1）①Fe₂O₃（s）+3C（石墨）=2Fe（s）+3CO（g）△H₁=+489.0kJmol^-1
②C（石墨）+CO₂（g）=2CO（g）△H₂=+172.5kJmol^-1
由蓋斯定律①-②×3得到Fe₂O₃（s）+3CO（g）=2Fe（s）+3CO₂（g）△H=-28.5kJmol^-1，
故答案為：Fe₂O₃（s）+3CO（g）=2Fe（s）+3CO₂（g）△H=-28.5kJmol^-1；
（2）烷燃料電池以KOH溶液為電解質(zhì)溶液時(shí)，負(fù)極上是CO發(fā)生失電子的氧化反應(yīng)，又因?yàn)殡娊赓|(zhì)是KOH溶液，二氧化碳和氫氧化鉀反應(yīng)得到的是碳酸鉀，即CO+4OH^--2e^-=CO₃^2-+2H₂O，
故答案為：CO+4OH^--2e^-=CO₃^2-+2H₂O；
（3）①根據(jù)圖象可知，線Ⅱ的反應(yīng)速率大于線Ⅰ，所以線Ⅱ?qū)��?yīng)的溫度高于線Ⅰ，而線Ⅱ?qū)��?yīng)的甲醇的物質(zhì)的量小，也就是說溫度高反應(yīng)平衡逆向移動(dòng)，據(jù)此判斷反應(yīng)的△H＜0，根據(jù)溫度對(duì)平衡移動(dòng)的影響可知，升高溫度，平衡向吸熱方向移動(dòng)，而該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，所以升高溫度平衡逆向移動(dòng)，平衡常數(shù)變小，即K_Ⅰ＞K_Ⅱ，
故答案為：＜；＞；
②設(shè)二氧化碳反應(yīng)量為x
                    CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）
初始量（mol）：1           3                  0                 0
轉(zhuǎn)化量（mol）：x          3x                 x                  x
平衡量（mol）：1-x       3-3x              x                  x
甲中平衡后氣體的壓強(qiáng)為開始時(shí)的0.8倍，即$\frac{4-2x}{4}$=0.8
解得x=0.4mol
依題意：甲、乙為等同平衡，且起始時(shí)維持反應(yīng)逆向進(jìn)行，所以全部由生成物投料，c的物質(zhì)的量為1mol，c 的物質(zhì)的量不能低于平衡時(shí)的物質(zhì)的量0.4mol，所以c的物質(zhì)的量為：0.4＜n（c）≤1mol，故答案為：0.4＜n（c）≤1；
③CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）；
a．反應(yīng)前后氣體物質(zhì)的量變化，當(dāng)容器中壓強(qiáng)不變，說明反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，故a正確；
b．H₂的體積分?jǐn)?shù)不變是平衡標(biāo)志，故b正確；
c．速率之比等于化學(xué)方程式計(jì)量數(shù)之比為正反應(yīng)速率之比，c（H₂）=3c（CH₃OH），不能說明正逆反應(yīng)速率相同，不能證明反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，故c錯(cuò)誤；
d．反應(yīng)前后氣體質(zhì)量不變，體積不變，容器中密度始終不變，不能說明反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，故d錯(cuò)誤；
e．2個(gè)C=O斷裂的同時(shí)有3個(gè)C-H形成只能說明反應(yīng)正向進(jìn)行，不能說明反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，故d錯(cuò)誤；
故答案為：a b；
（4）由反應(yīng)可知：2CO₂（g）+6H₂（g）=CH₃OCH₃（g）+3H₂O（g），1mol二甲醚分子經(jīng)過電化學(xué)氧化生成二氧化碳和水，所以相當(dāng)于氧化6mol的氫氣，所以轉(zhuǎn)移12N_A 電子，反應(yīng)（g）+4H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）．反應(yīng)前后氣體體積減小，增加壓強(qiáng)平衡正向進(jìn)行，該反應(yīng)分子數(shù)減少，壓強(qiáng)增加使平衡右移，CH₃OCH₃產(chǎn)率增加；壓強(qiáng)增加使CO和H₂濃度增加，反應(yīng)速率增大，故答案為：12N_A；該反應(yīng)分子數(shù)減少，壓強(qiáng)增加使平衡右移，CH₃OCH₃產(chǎn)率增加；壓強(qiáng)增加使CO和H₂濃度增加，反應(yīng)速率增大．

點(diǎn)評(píng) 本題主要考查了熱化學(xué)方程式的書寫、電極反應(yīng)的書寫、化學(xué)平衡的判斷和計(jì)算及氧化還原反應(yīng)方程式的書寫，綜合性較強(qiáng)，題目難度中等．