Question

2．我國是個鋼鐵大國，鋼鐵產量為世界第一，高爐煉鐵是最為普遍的煉鐵方法．
I．已知：2CO（g）+O₂（g）=2CO₂（g）△H=-566kJ/mol
2Fe（s）+$\frac{3}{2}$O₂（g）=Fe₂O₃（s）△H=-825.5kJ/mol
則反應：Fe₂O₃（s）+3CO（g）?2Fe（s）+3CO₂（g）△H=23.5kJ/mol．
II．反應$\frac{1}{3}$Fe₂O₃（s）+CO（g）?$\frac{2}{3}$Fe（s）+CO₂（g）在1000℃的平衡常數等于4.0．在一個容積為10L的密閉容器中，1000℃時加入Fe、Fe₂O₃、CO、CO₂各1.0mol，反應經過l0min后達到平衡．
（1）CO的平衡轉化率=60%．
（2）欲提高CO的平衡轉化率，促進Fe₂O₃的轉化，可采取的措施是d
a．提高反應溫度      b．增大反應體系的壓強
c．選取合適的催化劑  d．及時吸收或移出部分CO₂
e．粉碎礦石，使其與平衡混合氣體充分接觸
III．高爐煉鐵產生的廢氣中的CO可進行回收，使其在一定條件下和H₂反應制備甲醇：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）．請根據圖1示回答下列問題：

（3）從反應開始到平衡，用H₂濃度變化表示平均反應速率v（H₂）=0.15mol/（L•min）．
（4）若在一體積可變的密閉容器中充入l molCO、2molH₂和1molCH₃OH，達到平衡吋測得混合氣體的密度是同溫同壓下起始的1.6倍，則該反應向正（填“正”、“逆”）反應方向移動．
（5）以甲烷為燃料的新型電池，其成本大大低于以氫氣為燃料的傳統燃料電池，目前得到廣泛的研究，如圖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2．回答下列問題：
①B極上的電極反應式為CH₄-8e^-+40^2-=CO₂+2H₂O．
②若用該燃料電池做電源，用石墨做電極電解硫酸銅溶液，當陽極收集到11.2L（標準狀況）氣體時，消耗甲烷的體積為5.6L（標準狀況下）．

Answer 1

分析 I．已知：①2CO（g）+O₂（g）=2CO₂（g）△H=-566kJ/mol
②2Fe（s）+$\frac{3}{2}$O₂（g）=Fe₂O₃（s）△H=-825.5kJ/mol
則依據蓋斯定律計算①×$\frac{3}{2}$-②得到反應：Fe₂O₃（s）+3CO（g）?2Fe（s）+3CO₂（g）的熱化學方程式得到反應的焓變；
Ⅱ．（1）令平衡時CO的物質的量變化為nmol，利用三段式表示出平衡時CO、CO₂的物質的量，化學計量數都是1，利用物質的量代替濃度代入平衡常數計算n的值，進而計算CO的濃度變化量，再利用轉化率定義計算CO的轉化率；
（2）a．該反應正反應是放熱反應，提高反應溫度，平衡向逆反應移動；
b．反應前后氣體的物質的量不變，減小容器的容積，增大壓強平衡不移動；
c．加入合適的催化劑，平衡不移動；
d．移出部分CO₂，平衡向正反應移動；
e．粉碎礦石，使其與平衡混合氣體充分接觸，平衡不移動；
Ⅲ．（3）根據v=$\frac{△c}{△t}$計算v（CH₃OH），再利用速率之比等于化學計量數之比計算v（H₂）；
（4）平衡時混合氣體密度是同溫同壓下起始時的1.6倍，則總物質的量變為原先的$\frac{5}{8}$倍，據此判斷反應的方向；
（5）由陰離子移動方向可知B為負極，負極上甲烷失電子發生氧化反應，甲烷被氧化生成二氧化碳和水：2Cu²⁺+2H₂O$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$2Cu+O₂↑+4H⁺，結合電子守恒計算消耗甲烷的體積．

解答 解：I．已知：①2CO（g）+O₂（g）=2CO₂（g）△H=-566kJ/mol
②2Fe（s）+$\frac{3}{2}$O₂（g）=Fe₂O₃（s）△H=-825.5kJ/mol
則依據蓋斯定律計算①×$\frac{3}{2}$-②得到反應：Fe₂O₃（s）+3CO（g）?2Fe（s）+3CO₂（g）△H=-23.5KJ/mol，
故答案為：23.5；
Ⅱ．（1）令平衡時CO的物質的量變化為nmol，則：
          $\frac{1}{3}$Fe₂O₃（s）+CO（g）?$\frac{2}{3}$Fe（s）+CO₂（g）
開始（mol）：1                               1
變化（mol）：n                                n
平衡（mol）：1-n                             n+1
所以 $\frac{n+1}{1-n}$=4，解得n=0.6，則CO的平衡轉化率為 $\frac{0.6mol}{1mol}$×100%=60%，
故答案為：60%；
（2）a．該反應正反應是放熱反應，提高反應溫度，平衡向逆反應移動，CO的平衡轉化率降低，故a錯誤；
b．反應前后氣體的物質的量不變，減小容器的容積，增大壓強平衡不移動，CO的平衡轉化率不變，故b錯誤；
c．加入合適的催化劑，平衡不移動，故c錯誤；
d．移出部分CO₂，平衡向正反應移動，CO的平衡轉化率增大，故d正確；
e．粉碎礦石，使其與平衡混合氣體充分接觸，可以加快反應速率，但平衡不移動，故e錯誤；
故答案為：d；
Ⅲ．（3）由圖可知，達到平衡時甲醇的濃度變化為0.75mol/L，則v（CH₃OH）=$\frac{0.75mol/L}{10min}$=0.075mol/（L．min），速率之比等于化學計量數之比，v（H₂）=2v（CH₃OH）=0.15mol/（L•min），
故答案為：0.15mol/（L•min）；
（4）反應前后氣體總質量不變，同溫、同壓下，達到平衡時，氣體密度增大，即氣體體積縮小；平衡時混合氣體密度是同溫同壓下起始時的1.6倍，則總物質的量變為原先的$\frac{5}{8}$倍，總物質的量=4×$\frac{5}{8}$=2.5mol，反應前后減少了1.5mol，即化學反應向著正反應方向進行，
故答案為：正；
（5）①燃料電池中燃料在負極發生氧化反應，甲烷失電子在熔融鹽中生成二氧化碳氣體，B極上的電極反應式為：CH₄-8e^-+40^2-=CO₂+2H₂O，
故答案為：CH₄-8e^-+40^2-=CO₂+2H₂O；
②若用該燃料電池做電源，用石墨做電極電解硫酸銅溶液，當陽極收集到11.2L（標準狀況）氣體位氧氣，物質的量=$\frac{11.2L}{22.4L/mol}$=0.5mol，電極反應為4OH^--4e^-=2H₂O+O₂↑，結合單質守恒和電極反應得到 CH₄-8e^-+40^2-=CO₂+2H₂O，CH₄～8e^-～2O₂，則消耗甲烷物質的量0.25mol，標準狀況下的體積=0.25mol×22.4L/mol=5.6L，故答案為：5.6；

點評 本題綜合考查了化學平衡計算、等效平衡等，Ⅱ中等效平衡的計算，為該題的難點，也是易錯點，注意理解等效平衡問題，思維量大，題目難度中等．