Question

【題目】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） ΔH 1＝+489.0 kJ·mol－1

C（s） +CO2（g）＝2CO（g） ΔH 2 ＝+172.5 kJ·mol－1

則CO還原Fe2O3（s）的熱化學(xué)方程式為___________________________________。

（2）分離高爐煤氣得到的CO與空氣可設(shè)計(jì)成燃料電池（以KOH溶液為電解液）。寫出該電池的負(fù)極反應(yīng)式：____________________。

（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(cè)得CH3OH的物質(zhì)的量隨時(shí)間的變化如圖。①曲線I、Ⅱ對(duì)應(yīng)的平衡常數(shù)大小關(guān)系為KⅠ_____KⅡ（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________。

③一定溫度下，此反應(yīng)在恒壓容器中進(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．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)H－H斷裂

（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）。已知一定條件下，該反應(yīng)中CO2的平衡轉(zhuǎn)化率隨溫度、投料比[n(H2) / n(CO2)]的變化曲線如下圖。若溫度升高，則反應(yīng)的平衡常數(shù)K將____（填“增大”、“減小”或“不變”。下同）；若溫度不變，提高投料比n(H2)/n(CO2)，則K將__________；該反應(yīng)△H_________0（填“＞”、“＜”或“=”）。

Answer 1

【答案】Fe2O3(s)+3CO(g)=2Fe(s)+3CO2(g)；ΔH=-28.5 kJ·mol－1 CO-2e-+4OH-=CO32-+2H2O ＞ 1≥c>0.4 bd 減小 不變 <

【解析】

(1)根據(jù)蓋斯定律對(duì)已知的兩個(gè)熱化學(xué)方程式進(jìn)行加合運(yùn)算；

(2)分析CO燃燒反應(yīng)方程式2CO+O2=2CO2，分析元素化合價(jià)變化確定負(fù)極原料及電子轉(zhuǎn)移數(shù)目，電解質(zhì)顯強(qiáng)堿性，CO2、H+不能大量存在；

(3) ①一定溫度下，可逆反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)生成物濃度冪之積與反應(yīng)物濃度冪之積的比值是一個(gè)常數(shù)，稱之為化學(xué)平衡常數(shù)，本題圖像是生成物CH3OH的物質(zhì)的量與時(shí)間函數(shù)關(guān)系，“先拐先平”的原則，生成物濃度越大，則反應(yīng)物濃度越小，平衡常數(shù)就越大。②因?yàn)椤耙�使平衡后乙與甲中相同組分的體積分?jǐn)?shù)相等”，所以甲、乙互為“等同平衡”，平衡時(shí)各組分物質(zhì)的量分別對(duì)應(yīng)相等，利用“三段式”確定甲、乙容器中平衡時(shí)CH3OH物質(zhì)的量，若使起始時(shí)維持化學(xué)反應(yīng)向逆反應(yīng)方向進(jìn)行，則CH3OH初始物質(zhì)的量不能低于平衡時(shí)的CH3OH物質(zhì)的量，另外，只有反應(yīng)完全從生成物開始，c才能取最大值。③判斷化學(xué)平衡狀態(tài)的標(biāo)志有兩條依據(jù)：一是根據(jù)正、逆反應(yīng)速率相等；二是某一物理量不變時(shí)，“變量不變”。

(4) 根據(jù)平衡常數(shù)表達(dá)式分析反應(yīng)物濃度與生成物濃度的相對(duì)變化即可解答。由圖像分析溫度影響平衡移動(dòng)的方向，再根據(jù)勒夏特列原理分析該反應(yīng)熱△H的正負(fù)。

(1)將已知的兩個(gè)熱化學(xué)方程式編號(hào)：①Fe2O3(s)+3C(s)＝2Fe(s)+3CO(g); ΔH1＝+489.0 kJ·mol－1，②C(s)+CO2(g)＝2CO(g);ΔH2＝+172.5kJ·mol－1。將①②×3得Fe2O3(s)+3CO(g)=2Fe(s)+3CO2(g)；ΔH=ΔH13ΔH2=489.0 kJ·mol－13×172.5 kJ·mol－1=-28.5 kJ·mol－1。所以CO還原Fe2O3(s)的熱化學(xué)方程式為Fe2O3(s)+3CO(g)=2Fe(s)+3CO2(g)；ΔH=-28.5 kJ·mol－1。

(2)該燃料電池總反應(yīng)為2CO+O2=2CO2，CO在反應(yīng)中失去電子，所以通入CO的一極是負(fù)極，因?yàn)殡娊赓|(zhì)溶液是KOH，所以CO2轉(zhuǎn)化成CO32-，根據(jù)碳元素化合價(jià)由+2升高到+4，1molCO失去2mol電子，負(fù)極反應(yīng)式為：CO-2e-+4OH-=CO32-+2H2O

(3)①圖像I、II曲線平行于時(shí)間軸對(duì)應(yīng)的狀態(tài)是平衡狀態(tài)，平衡狀態(tài)時(shí)CH3OH物質(zhì)的量曲線I比曲線II多，因容器體積一定，所以平衡時(shí)曲線I的生成物濃度比曲線II的生成物濃度高，根據(jù)平衡常數(shù)表達(dá)式，可知曲線I的平衡常數(shù)比曲線II要大，所以KⅠ＞KⅡ。

②利用“三段式”先求出甲容器平衡時(shí)各組分物質(zhì)的量。設(shè)甲容器平衡時(shí)CH3OH的物質(zhì)的量為x。

恒溫恒容下， ，則有，解得x=0.4mol。甲容器平衡時(shí)各組分物質(zhì)的量分別為CO2為0.6mol、H2為1.8mol、CH3OH為0.4mol、H2O(g)為0.4mol。

因?yàn)?/span>“要使平衡后乙與甲中相同組分的體積分?jǐn)?shù)相等”，甲、乙互為“等同平衡”，所以達(dá)到平衡時(shí)甲、乙容器中各組分物質(zhì)的量分別對(duì)應(yīng)相等。要使反應(yīng)開始時(shí)逆向進(jìn)行則有下列相關(guān)量：

若使起始時(shí)維持化學(xué)反應(yīng)向逆反應(yīng)方向進(jìn)行，初始投入的CH3OH和H2O(g)的物質(zhì)的量不能低于它們平衡時(shí)的物質(zhì)的量，即c>0.4，

初始時(shí)全部由生成物投料c取最大值，即a、b為0， (c-0.4mol)=0.6mol，解得c=1，所以c的范圍是1≥c>0.4。

③a.因?yàn)榉磻?yīng)在恒壓條件下進(jìn)行，容器中壓強(qiáng)一直未變化，所以容器中壓強(qiáng)不變不能作為反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)的依據(jù)，a項(xiàng)錯(cuò)誤；

b.反應(yīng)過程中H2的體積分?jǐn)?shù)一直在變化，所以H2的體積分?jǐn)?shù)不變能判斷該反應(yīng)已達(dá)平衡狀態(tài)，b項(xiàng)正確；

c. c(H2)＝3c(CH3OH)，但反應(yīng)過程中其數(shù)值可能在變也可能不變，所以c(H2)＝3c(CH3OH)不能判斷該反應(yīng)已達(dá)平衡狀態(tài)，c項(xiàng)錯(cuò)誤；

d.根據(jù)質(zhì)量守恒可知反應(yīng)混合物總質(zhì)量[m(總)]不變，但反應(yīng)過程中氣體的體積（V）一直在變化，根據(jù)密度可知容器中氣體密度一直在變化，所以容器中氣體密度不變可判斷該反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，d項(xiàng)正確；

e.CO2結(jié)構(gòu)是O=C=O，H2的結(jié)構(gòu)是H—H，單位時(shí)間內(nèi)“2個(gè)C=O斷裂”是用CO2表示的正反應(yīng)速率，單位時(shí)間內(nèi)“3個(gè)H—H斷裂”是用H2表示的正反應(yīng)速率，無法確定正、逆反應(yīng)速率是否相等，所以2個(gè)C＝O斷裂的同時(shí)有3個(gè)H－H斷裂不能判斷該反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，e項(xiàng)錯(cuò)誤；答案選bd。

(4)由圖像知在投料比不變時(shí)CO2的平衡轉(zhuǎn)化率隨溫度的升高而減小，即生成物濃度越來越小，反應(yīng)物濃度越來越大，根據(jù)平衡常數(shù)表達(dá)式推知平衡常數(shù)值越來越小，所以升高溫度，反應(yīng)的平衡常數(shù)K將減小。因?yàn)槠胶獬��?shù)只受溫度的影響，與濃度無關(guān)，所以溫度不變時(shí)，提高投料比，平衡常數(shù)K不變。由圖像知隨溫度升高CO2的平衡轉(zhuǎn)化率減小，即平衡向逆反應(yīng)方向移動(dòng)，根據(jù)勒夏特列原理，逆反應(yīng)方向是吸熱反應(yīng)，則正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，即該反應(yīng)△H<0。