Question

3．一氧化碳和二氧化硫是用途廣泛的化工基礎原料．
（1）已知：C（s）+O₂（g）=CO₂（g）△H₁=-393.5kJ•mol ^-1
C（s）+CO₂（g）=2CO（g）△H₂=+172.5kJ•mol ^-1
S（s）+O₂（g）=SO₂（g）△H₃=-296.0kJ•mol ^-1
已知某反應的平衡常數(shù)K=$\frac{[C{O}_{2}]^{2}}{[S{O}_{2}]•[CO]^{2}}$，據(jù)以上信息，請寫出該反應的熱化學反應方程式：SO₂（g）+2CO（g）?2CO₂（g）+S（s）△H=-270kJ•mol^-1．
（2）工業(yè)上用一氧化碳制取氫氣的反應為：CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g），已知420℃時，該反應的化學平衡常數(shù)為9.0．如果反應開始時，在2L的密閉容器中充入CO和H₂O的物質的量都是0.60mol，5min末達到平衡，則此時CO的轉化率為75%，H₂的化學反應速率為0.045mol•L^-1•min^-1．
（3）工業(yè)利用反應2SO₂（g）+O₂（g）?2SO₃（g）制硫酸，一定條件下，將1molSO₂與2molO₂置于恒容密閉容器中發(fā)生上述反應，下列能說明反應達到平衡狀態(tài)的是ad
a．體系壓強保持不變
b．混合氣體密度保持不變
c．SO₂和O₂的物質的量之比保持不變
d．每消耗1mol SO₃的同時，生成0.5mol O₂
（4）圖中A裝置為熔融鹽燃料電池的工作原理示意圖．某課外活動小組用圖所示裝置通過電解生成Fe（OH）₃進行水的凈化．

①已知該燃料電池負極的電極反應是CH₄+4CO₃^2--8e^-=5CO₂+2H₂O．
則正極的電極反應式是O₂+2CO₂+4e^-=2CO₃^2-．
電解池B陽極的電極反應式為Fe-2e^-=Fe²⁺．
②實驗過程中，若在陰極產生了22.4L（標準狀況）氣體，則熔融鹽燃料電池消耗CH₄5.6L（標準狀況）．

Answer 1

分析 （1）已知某反應的平衡常數(shù)K=$\frac{[C{O}_{2}]^{2}}{[S{O}_{2}]•[CO]^{2}}$，則該反應的方程式為SO₂（g）+2CO（g）?2CO₂（g）+S（s），根據(jù)蓋斯定律結合已知方程式計算反應熱；
（2）根據(jù)所給反應的平衡常數(shù)，利用三段式法計算濃度變化值結合公式計算；
（3）學反應達到化學平衡狀態(tài)時，正逆反應速率相等，且不等于0，各物質的濃度不再發(fā)生變化，由此衍生的一些物理量不發(fā)生變化，以此進行判斷；
（4）①甲烷燃料電池中正極上氧氣得電子；電解池中陽極上Fe失電子生成亞鐵離子；
②該裝置中一個閉合回路，各個電極流過的電量相等，根據(jù)電子守恒可計算甲烷的體積．

解答 解：（1）已知某反應的平衡常數(shù)K=$\frac{[C{O}_{2}]^{2}}{[S{O}_{2}]•[CO]^{2}}$，則該反應的方程式為SO₂（g）+2CO（g）?2CO₂（g）+S（s），
①C（s）+O₂（g）=CO₂（g）△H₁=-393.5kJ•mol ^-1
②C（s）+CO₂（g）=2CO（g）△H₂=+172.5kJ•mol ^-1
③S（s）+O₂（g）=SO₂（g）△H₃=-296.0kJ•mol ^-1，
由蓋斯定律①-②-③可得SO₂（g）+2CO（g）?2CO₂（g）+S（s）△H=-270kJ•mol^-1；
故答案為：SO₂（g）+2CO（g）?2CO₂（g）+S（s）△H=-270kJ•mol^-1；
（2）設參加反應的CO的濃度為x
                              CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）
起始濃度（mol/L）0.30          0.30              0              0
轉化濃度（mol/L） x              x                  x              x
轉化濃度（mol/L）0.30-x    0.30-x               x               x
K=9.0=$\frac{[C{O}_{2}]•[{H}_{2}]}{[CO]•[{H}_{2}O]}$=$\frac{{x}^{2}}{（0.30-x）^{2}}$，x=0.225，所以CO的轉化率α（CO）=$\frac{0.225}{0.30}$×100%=75%，氫氣反應速率v（H₂）=$\frac{0.225mol/L}{5min}$=0.045mol/（L•min），
故答案為：75%；0.045mol/（L•min）；
（3）a．反應前后氣體的體積不等，故容器總壓強隨時間改變，當壓強不再隨著時間變化時，即時達到化學平衡狀態(tài)，故a正確；
b．總質量不變，體積不變，故混合氣體的密度始終不變，所以不能作為判斷是否達到化學平衡狀態(tài)的依據(jù)，故b錯誤；
c．SO₂和O₂的物質的量之比，與起始的物質的量以及轉化率有關，若起始的物質的量之比為2：1，則SO₂和O₂的物質的量之比始終不變，所以不能作為判斷是否達到化學平衡狀態(tài)的依據(jù)，故c錯誤；
d．每消耗1mol SO₃為逆速率，同時，生成0.5mol O₂為正速率，不同物質表示的正逆速率之比等于計量數(shù)之比即時平衡狀態(tài)，故d正確；
故答案為：ad；
（4）①甲烷燃料電池中正極上氧氣得電子，正極的電極反應為O₂+2CO₂+4e^-=2CO₃^2-；電解池中陽極上Fe失電子生成亞鐵離子，則陽極上的電極反應為：Fe-2e^-=Fe²⁺；
故答案為：O₂+2CO₂+4e^-=2CO₃^2-；Fe-2e^-=Fe²⁺；
，故答案為：CH₄+4CO₃^2--8e^-=5CO₂↑+2H₂O；
②該裝置中一個閉合回路，各個電極流過的電量相等，則有關系式CH₄～8e^-～4H₂，所以當陰極產生了22.4L（標準狀況）氫氣時，熔融鹽燃料電池消耗標準狀況下CH₄的體積為22.4L×$\frac{1}{4}$=5.6L，
故答案為：5.6．

點評 本題主要考查反應速率的計算、轉化率的計算、影響化學反應速率、化學平衡的因素、蓋斯定律、原電池、電解池等知識，難度中等，答題時注意化學原理的基礎知識的靈活運用．