Question

煤是一種重要的化工原料，人們將利用煤制取的水煤氣、焦炭、甲醚等廣泛用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中．
（1）已知：
①C（s）+H₂O（g）═CO（g）+H₂（g）△H=+131.3kJ?mol^-1
②CO₂（g）+H₂（g）═CO（g）+H₂O（g）△H=+41.3kJ?mol^-1
則碳與水蒸氣反應(yīng)生成二氧化碳和氫氣的熱化學(xué)方程式為

 

． 該反應(yīng)在

 

 （填“高溫”、“低溫”或“任何溫度”）下有利于正向自發(fā)進(jìn)行．
（2）有人利用炭還原法處理氮氧化物，發(fā)生反應(yīng)C（s）+2NO（g）?N₂（g）+CO₂（g）．向某密閉容器中加入一定量的活性炭和NO，在T₁℃時，不同時間測得各物質(zhì)的濃度如下表所示：

	0	10	20	30	40	50
NO	1.00	0.68	0.50	0.50	0.60	0.60
N2	0	0.16	0.25	0.25	0.30	0.30
CO2	0	0.16	0.25	0.25	0.30	0.30

①10～20min內(nèi)，N₂的平均反應(yīng)速率v（N₂）=

 

．
②30min后，只改變某一條件，反應(yīng)重新達(dá)到平衡，根據(jù)上表中的數(shù)據(jù)判斷改變的條件可能是

 

 （填字母序號）．
A．通入一定量的NO        
B．加入一定量的活性炭
C．加入合適的催化劑          
D．適當(dāng)縮小容器的體積
（3）研究表明：反應(yīng)CO（g）+H₂O（g）?H₂（g）+CO₂（g）平衡常數(shù)隨溫度的變化如下表所示：

溫度/℃	400	500	800
平衡常數(shù)K	9.94	9	1

若反應(yīng)在500℃時進(jìn)行，設(shè)起始時CO和H₂O的濃度均為0.020mol?L^-1，在該條件下達(dá)到平衡時，CO的轉(zhuǎn)化率為

 

．
（4）用CO做燃料電池電解CuSO₄溶液、FeCl₃和FeCl₂混合液的示意圖如圖1所示，其中A、B、D均為石j墨電極，C為銅電極．工作一段時間后，斷開K，此時A、B兩極上產(chǎn)生的氣體體積相同．

①乙中A極產(chǎn)生的氣體在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積為

 

．
②丙裝置溶液中金屬陽離子的物質(zhì)的量與轉(zhuǎn)移電子的物質(zhì)的量變化關(guān)系如圖2所示，則圖中③線表示的是

 

（填離子符號）的變化；反應(yīng)結(jié)束后，要使丙裝置中金屬陽離子恰好完全沉淀，需要

 

 mL 5.0mol?L^-1 NaOH溶液．

Answer 1

考點：熱化學(xué)方程式,原電池和電解池的工作原理,化學(xué)平衡狀態(tài)的判斷

專題：基本概念與基本理論

分析：（1）根據(jù)蓋斯定律來寫出碳與水蒸氣反應(yīng)生成一氧化碳和氫氣的熱化學(xué)方程式；根據(jù)反應(yīng)能否自發(fā)進(jìn)行的判據(jù)來回答；
（2）反應(yīng)前后是氣體體積不變的反應(yīng)，圖表數(shù)據(jù)分析可知一氧化氮，氮氣，二氧化碳濃度都增大，說明改變的條件是縮小體積增大濃度，或加入一氧化氮達(dá)到新平衡后個物質(zhì)濃度增大；
（3）到達(dá)平衡時轉(zhuǎn)化率最大，令平衡時CO的濃度變化量為cmol/L，根據(jù)三段式法用c表示出平衡時各組分個濃度，再利用平衡常數(shù)列方程，求出c，再利用轉(zhuǎn)化率定義計算；
（4）①工作一段時間后，斷開K，此時A、B兩極上產(chǎn)生的氣體體積相同，分析電極反應(yīng)，B為陰極，溶液中銅離子析出，氫離子得到電子生成氫氣；A電極為陽極，溶液中的氫氧根離子失電子生成氧氣；陽極電極反應(yīng)和電子守恒計算得到；
②C電極為陽極，D電極為陰極，根據(jù)丙圖可知溶液中有三種金屬陽離子，而根據(jù)丙的成分可知溶液中只有兩種金屬陽離子，說明在電解過程中還有Cu²⁺生成，因此C電極是Cu做陽極，D電極是石墨做陰極，根據(jù)轉(zhuǎn)移電子的物質(zhì)的量和金屬陽離子的物質(zhì)的量的變化確定曲線對應(yīng)的離子，結(jié)合轉(zhuǎn)移電子的物質(zhì)的量計算．

解答： 解：（1）已知①C（s）+H₂O（g）═CO（g）+H₂（g）△H=+131.3kJ?mol^-1
②CO₂（g）+H₂（g）═CO（g）+H₂O（g）△H=+41.3kJ?mol^-1
根據(jù)蓋斯定律，將①-②可得：C（g）+H₂O（g）═CO（g）+H₂（g）△H=+90kJ?mol^-1，反應(yīng)的焓變△H＞0，△S＞0，根據(jù)反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行的判據(jù)
△H-TS＜0，所以需要高溫下發(fā)生，
故答案為：C（s）+2H₂O（g）=CO₂（g）+2H₂（g）△H=+90.0 kJ?mol^-1；高溫；
（2）①10～20min內(nèi)，N₂的平均反應(yīng)速率v（N₂）=

0.25-0.16

20-10

mol/（L?min）=0.009 mol/（L?min），
故答案為：0.009 mol/（L?min）；
②30min后，只改變某一條件，反應(yīng)重新達(dá)到平衡，圖表數(shù)據(jù)分析可知一氧化氮，氮氣，二氧化碳濃度都增大；
A．通入一定量的NO，反應(yīng)正向進(jìn)行，達(dá)到平衡后一氧化氮、氮氣、二氧化碳濃度增大，故符合；
B．加入一定量的活性炭是固體，對平衡無影響，故不符合；
C．加入合適的催化劑，只能改變化學(xué)反應(yīng)速率，不能改變平衡，濃度不變，故不符合；
D．適當(dāng)縮小容器的體積，反應(yīng)前后是氣體體積不變的反應(yīng)，平衡不動，但個物質(zhì)濃度增大，符合要求，故符合；
故答案為：AD；
（3）設(shè)CO的濃度變化量為c，三段式法用c表示出平衡時各組分個濃度，
               CO（g）+H₂O（g）?H₂（g）+CO₂（g），
起始（mol/L）：0.02    0.020     0        0
轉(zhuǎn)化（mol/L）：c       c         c        c
平衡（mol/L）：0.02-c  0.02-c    c        c
代入500℃時反應(yīng)平衡常數(shù)有k=

c(H2)?c(CO2)

c(CO)?c(H2O)

=

c2

(0.02-c)2

=9，解得c=0.015，
CO的最大所以轉(zhuǎn)化率為

0.015

0.02

×100%=75%，
故答案為：75%；
（4）①工作一段時間后，斷開K，此時A、B兩極上產(chǎn)生的氣體體積相同，分析電極反應(yīng)，B為陰極，溶液中銅離子析出，氫離子得到電子生成氫氣，設(shè)生成氣體物質(zhì)的量為X，溶液中銅離子物質(zhì)的量為0.1mol，電極反應(yīng)為：
   Cu²⁺+2e^-=Cu，
0.1mol 0.2mol
2H⁺+2e^-=H₂↑，
 2x     x
A電極為陽極，溶液中的氫氧根離子失電子生成氧氣，電極反應(yīng)為：
4OH^--4e^-=2H₂O+O₂↑，
4x           x
得到0.2+2x=4x，
x=0.1mol
乙中A極析出的氣體是氧氣物質(zhì)的量為0.1mol，在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積為2.24L，
故答案為：2.24L；
②根據(jù)轉(zhuǎn)移電子的物質(zhì)的量和金屬陽離子的物質(zhì)的量的變化，可知，銅離子從無增多，鐵離子物質(zhì)的量減小，亞鐵離子增加，①為Fe³⁺，②為Fe²⁺，③為Cu²⁺，
依據(jù)（2）計算得到電子轉(zhuǎn)移為0.2mol，當(dāng)電子轉(zhuǎn)移為0.2mol時，丙中陽極電極反應(yīng)Cu-2e-=Cu²⁺，生成Cu²⁺物質(zhì)的量為0.1mol，圖象分析每個單位為0.05mol，陰極電極反應(yīng)Fe³⁺+e^-=Fe²⁺，溶液中有Fe³⁺ 0.2mol，F(xiàn)e²⁺ 0.3mol，Cu²⁺為0.1mol，所以需要加入NaOH溶液1.4mol，所以NaOH溶液等體積為

1.4mol

5mol/L

=0.28L=280mL，
故答案為：Cu²⁺；280．

點評：本題綜合性較大，涉及化學(xué)反應(yīng)自發(fā)性判斷、化學(xué)平衡常數(shù)、化學(xué)平衡影響因素、等效平衡計算以及電化學(xué)知識等，難度較大．