Question

5．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）△H ₁=+489.0 kJ•mol^-1，
C（s）+CO₂（g）═2CO（g）△H ₂=+172.5 kJ•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=-28.5kJmol^-1．
（2）分離高爐煤氣得到的CO與空氣可設計成燃料電池（以KOH溶液為電解液）．寫出該電池的負極反應式：CO+4OH^--2e^-=CO₃^2-+2H₂O．
（3）CO₂和H₂充入一定體積的密閉容器中，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見圖1．
①曲線I、Ⅱ對應的平衡常數大小關系為K_Ⅰ＞K_Ⅱ（填“＞”或“=”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、b mol H2 c mol CH3OH（g）、c 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c的取值范圍為0.4＜n（c）≤1．
（4）利用光能和光催化劑，可將CO₂和H₂O（g）轉化為CH₄和O₂．紫外光照射時，在不同催化劑（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）作用下，CH₄產量隨光照時間的變化見圖2．在0～15小時內，CH₄的平均生成速率Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ從大到小的順序為II＞III＞I（填序號）．

（5）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見圖3．
①乙酸的生成速率主要取決于溫度影響的范圍是300℃～400℃．
②Cu₂Al₂O₄可溶于稀硝酸，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①-②×3得到，分析判斷；
（2）CO燃料電池中，負極上是CO發生失電子的氧化反應，正極上是氧氣發生得電子的還原反應，又因為電解質是KOH溶液，不會在電極上放出二氧化碳；
（3）①II平衡時間小于I，說明II反應速率大于I，且平衡時II中CH₃OH的物質的量小于I，說明平衡向逆反應方向移動，則只能是升高溫度，溫度越高，化學平衡常數越小；
②根據平衡三部曲求出甲中平衡時各氣體的物質的量，然后根據平衡后乙與甲中相同組分的體積分數相等，且起始時維持反應逆向進行來判斷范圍；
（4）相同時間甲烷的物質的量的變化量越大，表明平均速率越大，相同時間甲烷的物質的量的變化量越小，平均反應速率越小．由圖2可知反應開始后的15小時內，在第Ⅱ種催化劑的作用下，收集的CH₄最多，Ⅲ次之，Ⅰ最少．
（5）①根據溫度對催化劑活性的影響可知在300℃時失去活性，故得出乙酸的生成速率主要取決于溫度影響的范圍；
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=+489.0kJmol^-1
②C（石墨）+CO₂（g）=2CO（g）△H₂=+172.5kJmol^-1
由蓋斯定律①-②×3得到Fe₂O₃（s）+3CO（g）=2Fe（s）+3CO₂（g）△H=-28.5kJmol^-1，
故答案為：Fe₂O₃（s）+3CO（g）=2Fe（s）+3CO₂（g）△H=-28.5kJmol^-1；
（2）烷燃料電池以KOH溶液為電解質溶液時，負極上是CO發生失電子的氧化反應，又因為電解質是KOH溶液，二氧化碳和氫氧化鉀反應得到的是碳酸鉀，即CO+4OH^--2e^-=CO₃^2-+2H₂O，
故答案為：CO+4OH^--2e^-=CO₃^2-+2H₂O；
（3）①II平衡時間小于I，說明II反應速率大于I，且平衡時II中CH₃OH的物質的量小于I，說明平衡向逆反應方向移動，則只能是升高溫度，即II的溫度大于I，溫度越高，平衡向逆反應方向移動，導致化學平衡常數越小，所以K_Ⅰ＞K_Ⅱ，
故答案為：＞；
②設二氧化碳反應量為x
             CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）
初始量（mol）：1        3           0          0
轉化量（mol）：x        3x          x          x
平衡量（mol）：1-x       3-3x        x          x
甲中平衡后氣體的壓強為開始時的0.8倍，即$\frac{4-2x}{4}$=0.8
解得x=0.4mol
依題意：甲、乙為等同平衡，且起始時維持反應逆向進行，所以全部由生成物投料，c的物質的量為1mol，c 的物質的量不能低于平衡時的物質的量0.4mol，所以c的物質的量為：0.4＜n（c）≤1mol，
故答案為：0.4＜n（c）≤1；
（4）由圖2可知，在0～15h內，甲烷的物質的量變化量為△n（Ⅰ）＜△n（Ⅲ）＜△n（Ⅱ），故在0～15h內，CH₄的平均生成速率v（Ⅱ）＞v（Ⅲ）＞v（Ⅰ）；故答案為：II＞III＞I；
（5）①溫度超過250℃時，催化劑的催化效率降低，在300℃時失去活性，故以后乙酸的生成速率升高是由溫度升高導致的，故乙酸主要取決于溫度影響的范圍為300℃～400℃，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 本題主要考查了化學反應常數、化學平衡以及原電池原理的運用，難度不大，根據所學知識即可完成．