Question

11．鐵及碳的化合物在社會生產、生活中有著廣泛的應用．請回答下列問題：
（1）磁鐵礦是工業上冶煉鐵的原料之一．
已知：①Fe₃O₄（s）+4C（s）?3Fe（s）+4CO（g）△H=+646.0kJ•mol^-1
②C（s）+CO₂（g）?2CO（g）△H=+172.5kJ•mol^-1
則Fe₃O₄（s）+4CO（g）?3Fe（s）+4CO₂（g）△H=-44.0kJ/mol．
（2）反應Fe（s）+CO₂（g）?FeO（s）+CO（g）△H的平衡常數為K，在不同溫度下，K值如下：

溫度/K	973	1173	1373	1573
K	1.47	2.15	3.36	8.92

①從表中數據可推斷，該反應是吸熱（填“放熱”或“吸熱”）反應．
②溫度為973K時，在某恒容密閉容器中發生上述反應．下列有關說法能說明該反應已達到平衡狀態的是BD（填字母）．
A．c（CO₂）=c（CO）                B．v_正（CO₂）=v_逆（CO）
C．體系壓強不變                    D．混合氣體中c（CO）不變
（3）如圖圖1、2表示反應：H₂（g）+CO₂（g）?CO（g）+H₂O（g）△H＞0有關量與反應時間之間的關系：

①圖2中若t₁=0.5min，則0～t₁時間段內，H₂O的平均反應速率v（H₂O）=0.006mol•L^-1•s^-1．
②圖1中t₂時刻改變的條件是加入催化劑或增大壓強（任寫兩種，下同）；圖2中t₂時刻改變的條件是降低溫度或增大水蒸氣濃度或減小氫氣濃度．
（4）水煤氣中的CO和H₂均可作為燃料電池的燃料．若在某燃料電池一極通入CO，另一極通入O₂和CO₂，熔融碳酸鈉作為電解質，工作時負極反應式為CO+CO₃^2--2e^-=2CO₂；若使用該電池電解熔融Al₂O₃制取10.8g Al，則理論上需要氧氣的體積為6.72L
（標準狀況下）．

Answer 1

分析 （1）發生反應：Fe₃O₄+4CO=3Fe+4CO₂，根據蓋斯定律書寫目標熱化學方程式；
（2）①升高溫度平衡向吸熱反應方向，根據平衡常數變化確定反應熱；
②當可逆反應達到平衡狀態時，正逆反應速率相等，各物質的物質的量、物質的量濃度及由此引起的一系列物理量不變；
（3）①圖2中若t₁=0.5min，則0～t₁時間段內，CO的平均反應速率v（CO）=$\frac{（0.05-0.02）}{0.5}$=
0.06mol/（L．min）=0.001mol•L^-1•s^-1 ，同一化學反應中同一段時間內各物質的反應速率之比等于其計量數之比；
②圖1中t₂時刻改變的條件是催化劑或壓強；圖2中t₂時刻改變的條件是降低溫度或增大水蒸氣濃度或減小氫氣濃度；
（4）以CO為燃料制作燃料電池，負極上CO失去電子，電解熔融Al₂O₃，利用電子守恒計算．

解答 解：（1）已知：①Fe₃O₄（s）+4C（石墨）?3Fe（s）+4CO（g）△H=+646.0kJ/mol
②C（石墨）+CO₂（g）?2CO（g）△H=+172.5kJ/mol
根據蓋斯定律，①-②×4可得Fe₃O₄（s）+4CO（g）=3Fe（s）+4CO₂（g），故△H=+646.0kJ/mol-4×（+172.5kJ/mol）=-44.0kJ/mol，故反應熱化學方程式為：Fe₃O₄（s）+4CO（g）=3Fe（s）+4CO₂（g）△H=-44.0kJ/mol，
故答案為：-44.0kJ/mol；
（2）①升高溫度平衡向吸熱反應方向，根據表中數據知，升高溫度平衡常數增大，平衡正向移動，則正反應是吸熱反應，故答案為：吸熱；
②當可逆反應達到平衡狀態時，正逆反應速率相等，各物質的物質的量、物質的量濃度及由此引起的一系列物理量不變，
A．c（CO₂）=c（CO）時正逆反應速率不一定相等，反應不一定達到平衡平衡狀態，故錯誤；              
B．v_正（CO₂）=v_逆（CO）=v_正（CO），正逆反應速率相等，反應達到平衡狀態，故正確；
C．反應前后氣體計量數之和不變，所以無論是否達到平衡狀態，體系壓強不變，不能據此判斷平衡狀態，故錯誤；                    
D．混合氣體中c（CO）不變，正逆反應速率不變，反應達到平衡狀態，故正確；
故選BD；
（3）①圖2中若t₁=0.5min，則0～t₁時間段內，CO的平均反應速率v（CO）=$\frac{（0.05-0.02）}{0.5}$=
0.006mol•L^-1•s^-1 ，同一化學反應中同一段時間內各物質的反應速率之比等于其計量數之比，所以v（H₂O）=v（CO）=0.005mol•L^-1•s^-1，
故答案為：0.006mol•L^-1•s^-1；
②圖1中t₂時刻改變的條件時正逆反應速率都增大且正逆反應速率相等，所以改變的條件是催化劑或壓強；圖2中t₂時刻改變的條件時，二氧化碳濃度增大、CO濃度降低，平衡逆向移動，改變的條件是降低溫度或增大水蒸氣濃度或減小氫氣濃度，
故答案為：加入催化劑或增大壓強；降低溫度或增大水蒸氣濃度或減小氫氣濃度；
（4）以CO為燃料制作燃料電池，負極上CO失去電子，負極反應式為CO+CO₃^2--2e^-=2CO₂，電解熔融Al₂O₃，由電子守恒可知，4Al～12e^-～3O₂，理論上需要氧氣的體積為$\frac{10.8g}{27g/mol}$×$\frac{3}{4}$×22.4L/mol=6.72L，
故答案為：CO+CO₃^2--2e^-=2CO₂；6.72．

點評 本題考查圖象分析、蓋斯定律、化學平衡計算、原電池原理等知識點，側重考查學生分析計算能力，為高頻考點，會根據圖中v-t圖象確定改變的條件，易錯點是電極反應式的書寫，題目難度中等．