Question

9．研究和深度開發CO、CO₂的應用對構建生態文明社會具有重要的意義．

（1）CO可用于煉鐵，已知：Fe₂O₃（s）+3C（s）═2Fe（s）+3CO（g）△H₁=+489.0kJ•mol^-1，C（s）+CO₂（g）═2CO（g）△H₂=+172.5kJ•mol^-1，則CO還原Fe₂O₃（s）的熱化學方程式為Fe₂O₃（s）+3CO（g）=2Fe（s）+3CO₂（g）△H=-28.5kJ•mol^-1．
（2）CO與O₂設計成燃料電池（以KOH溶液為電解液）．該電池的負極反應式為CO+4OH^--2e^-=CO₃^2-+2H₂O．
（3）CO₂和H₂充入一定體積的恒容密閉容器中，在兩種溫度下發生反應：
CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）　測得CH₃OH的物質的量隨時間的變化如圖1．
①該反應的△H小于0（填“大于或小于”），曲線I、Ⅱ對應的平衡常數大小關系為K_Ⅰ＞K_Ⅱ（填“＞、=或＜”）．
②一定溫度下，在容積相同且固定的兩個密閉容器中，按如下方式加入反應物，一段時間后達到平衡．

容　　器	甲	乙
反應物投入量	1mol CO2、3mol H2	a　mol CO2、3a　mol H2、 b　mol CH3OH（g）、b　mol H2O（g）

若甲中平衡后氣體的壓強為開始的0.8倍，要使平衡后乙與甲中相同組分的體積分數相等，且起始時維持化學反應向逆反應方向進行，則b的取值范圍為0.4＜b≤1．
（4）以TiO₂/Cu₂Al₂O₄為催化劑，可以將CO₂和CH₄直接轉化成乙酸．在不同溫度下催化劑的催化效率與乙酸的生成速率的關系如圖3．
①當溫度在300℃～400℃范圍時，溫度是乙酸生成速率的主要影響因素．
②Cu₂Al₂O₄可溶于稀硝酸，稀硝酸還原產物為NO，寫出有關的離子方程式3Cu₂Al₂O₄+32H⁺+2NO₃^-=6Cu²⁺+6Al³⁺+2NO↑+16H₂O．

Answer 1

分析 （1）依據熱化學方程式和蓋斯定律計算得到所需熱化學方程式，①-②×3得到；
（2）CO-O₂燃料電池（以KOH溶液為電解液），依據原電池原理，負極失電子發生氧化反應，燃料在負極失電子發生氧化反應；
（3）①根據圖象可知，線Ⅱ的反應速率大于線Ⅰ，所以線Ⅱ對應的溫度高于線Ⅰ，而線Ⅱ對應的甲醇的物質的量小，也就是說溫度高反應平衡逆向移動，據此判斷反應的△H，根據溫度對平衡移動的影響可知，升高溫度，平衡向吸熱方向移動，據此判斷平衡常數的變化；
②利用三段式，根據等效平衡的思想可答題設平衡時二氧化碳轉化了xmol，
  　　　　   CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g），
開始1（mol）：1  　　  3         0      　　     0
變化1（mol）：x        3x        x                x
平衡1（mol）：1-x      3-3x      x                x
開始2　　　   a         3a        b               b；
（4）根據圖象3可知，當溫度300℃～400℃時，線的斜率變化較大，也就是溫度對化學反應速率的影響較大；
②先將Cu₂Al₂O₄拆成氧化物的形式：Cu₂O•Al₂O₃，再根據氧化物與酸反應生成離子方程式，需要注意的是一價銅具有還原性．

解答 解：（1）①Fe₂O₃（s）+3C（石墨）=2Fe（s）+3CO（g）△H₁=+489.0kJ•mol^-1
②C（石墨）+CO₂（g）=2CO（g）△H₂=+172.5kJ•mol^-1
依據蓋斯定律①-②×3得到熱化學方程式為：Fe₂O₃（s）+3CO（g）=2Fe（s）+3CO₂（g）△H=-28.5 kJ•mol^-1；
故答案為：Fe₂O₃（s）+3CO（g）=2Fe（s）+3CO₂（g）△H=-28.5 kJ•mol^-1；
（2）CO-O₂燃料電池（以KOH溶液為電解液），一氧化碳在負極失電子發生氧化反應生成二氧化碳在溶液中生成碳酸鉀，原電池負極電極反應為：CO+4OH^--2e^-=CO₃^2-+2H₂O，故答案為：CO+4OH^--2e^-=CO₃^2-+2H₂O；
（3）①根據圖象可知，線Ⅱ的反應速率大于線Ⅰ，所以線Ⅱ對應的溫度高于線Ⅰ，而線Ⅱ對應的甲醇的物質的量小，也就是說溫度高反應平衡逆向移動，據此判斷反應的△H＜0，根據溫度對平衡移動的影響可知，升高溫度，平衡向吸熱方向移動，而該反應為放熱反應，所以升高溫度平衡逆向移動，平衡常數變小，即K_Ⅰ＞K_Ⅱ，
故答案為：小于；＞；
②設平衡時二氧化碳轉化了xmol，
  　　　　　　CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g），
開始1（mol）：1  　　  3         0      　　     0
變化1（mol）：x        3x        x               x
平衡1（mol）：1-x      3-3x      x               x
開始2　　　  a        3a        b                 b
則由題意可知：$\frac{x+x+1-x+3-3x}{1+3}$=0.8，解得x=0.4，
根據恒溫恒容條件下的等效平衡的思想則有開始1和開始2為完全等效，即a+b=1，要使反應始終向逆向進行，則b＞x，故a的范圍為小于等于1大于0.4，
故答案為：0.4＜b≤1；
（4）根據圖象3可知，當溫度大于300℃時，線的斜率變化較大，也就是溫度對化學反應速率的影響較大，故答案為：300℃～400℃；
②Cu₂Al₂O₄拆成氧化物的形式：Cu₂O•Al₂O₃，與酸反應生成離子方程式：3Cu₂Al₂O₄+32H⁺+2NO₃^-=6Cu²⁺+6Al³⁺+2NO↑+16H₂O，
故答案為：3Cu₂Al₂O₄+32H⁺+2NO₃^-=6Cu²⁺+6Al³⁺+2NO↑+16H₂O．

點評 本題主要考查了熱化學方程式的書寫、電極反應的書寫、化學平衡的計算及氧化還原反應方程式的書寫，綜合性較強，有一定的難度．