Question

我國是個(gè)鋼鐵大國，鋼鐵產(chǎn)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）+

3

2

O₂（g）=Fe₂O₃（s）△H=-825.5kJ/mol
反應(yīng)：Fe₂O₃（s）+3CO（g）?2Fe（s）+3CO₂（g）△H=

 

kJ/mol．
Ⅱ．反應(yīng) 

1

3

Fe₂O₃（s）+CO（g）?

2

3

Fe（s）+CO₂（g）在1000℃的平衡常數(shù)等于4.0．在一個(gè)容積為10L的密閉容器中，1000℃時(shí)加入Fe、Fe₂O₃、CO、CO₂各1.0mol，反應(yīng)經(jīng)過10min后達(dá)到平衡．
（1）CO的平衡轉(zhuǎn)化率=

 

．
（2）欲提高CO的平衡轉(zhuǎn)化率，促進(jìn)Fe₂O₃的轉(zhuǎn)化，可采取的措施是

 

a．提高反應(yīng)溫度              b．增大反應(yīng)體系的壓強(qiáng)
c．選取合適的催化劑          d．及時(shí)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．（1）高爐煉鐵產(chǎn)生的廢氣中的CO可進(jìn)行回收，使其在一定條件下和H₂反應(yīng)制備甲醇：
CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）．請(qǐng)根據(jù)圖示回答下列問題：

（1）從反應(yīng)開始到平衡，用H₂濃度變化表示平均反應(yīng)速率v（H₂）=

 

．
（2）若在溫度和容器相同的三個(gè)密閉容器中，按不同方式投入反應(yīng)物，測(cè)得反應(yīng)達(dá)到平衡吋的有關(guān)數(shù)據(jù)如下表：

容器	反應(yīng)物投入的量	反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率	CH3OH的濃度	能量變化 （Q1，Q2，Q3均大于0）
甲	1mol CO和2mol H2	a1	c1	放出Q1kJ熱量
乙	1mol CH3OH	a2	c2	吸收Q2kJ熱量
丙	2mol CO和4mol H2	a3	c3	放出Q3kJ熱量

則下列關(guān)系正確的是

 

．
A c₁=c₂ B.2Q₁=Q₃ C.2a₁=a₃ D．a(chǎn)₁+a₂=1
E．該反應(yīng)若生成1mol CH₃OH，則放出（Q₁+Q₂）kJ熱量
（3）若在一體積可變的密閉容器中充入1 molCO、2mol H₂和1mol CH₃OH，達(dá)到平衡吋測(cè)得混合氣體的密度是同溫同壓下起始的1.6倍，則該反應(yīng)向

 

（填“正”、“逆”）反應(yīng)方向移動(dòng)．
（4）甲醇可與氧氣構(gòu)成燃料電池，該電池用多孔的惰性電極浸入濃氫氧化鉀溶液，寫出該電池的負(fù)極反應(yīng)式

 

．

Answer 1

分析：I．依據(jù)熱化學(xué)方程式和蓋斯定律計(jì)算得到需要的熱化學(xué)方程式；
II．（1）令平衡時(shí)CO的物質(zhì)的量變化為nmol，利用三段式表示出平衡時(shí)CO、CO₂的物質(zhì)的量，化學(xué)計(jì)量數(shù)都是1，利用物質(zhì)的量代替濃度代入平衡常數(shù)計(jì)算n的值，進(jìn)而計(jì)算CO的濃度變化量，再利用轉(zhuǎn)化率定義計(jì)算CO的轉(zhuǎn)化率；
（2）提高CO的平衡轉(zhuǎn)化率，應(yīng)使平衡向正反應(yīng)移動(dòng)，但不能增大CO的用量，結(jié)合選項(xiàng)根據(jù)平衡移動(dòng)原理分析；
III（1）根據(jù)圖象中生成甲醇的量求出消耗的氫氣的量，再求出氫氣的反應(yīng)速率；
（2）甲容器反應(yīng)物投入1molCO 2molH₂與乙容器反應(yīng)物投入1mol CH₃OH在保持恒溫、恒容情況下是等效平衡，平衡時(shí)CH₃OH的濃度c₁=c₂、α₁+α₂=1、Q₁+Q₂能量總變化相當(dāng)于1molCO.2molH₂完全轉(zhuǎn)化成1mol CH₃OH的能量，即吸放熱Q₁+Q₂數(shù)值上就等于90.8kJ；甲容器反應(yīng)物投入量1molCO、2molH₂與丙容器反應(yīng)物投入量2molCO、4molH₂，若恒溫且丙容器容積是甲容器2倍，則甲容器與丙容器也是等效平衡，然而現(xiàn)在是溫度、容積相同的3個(gè)密閉容器，可以當(dāng)成是在恒溫且容積是甲容器兩倍條件下，體積受到了壓縮，原反應(yīng)正向氣體體積減少，由平衡移動(dòng)原理，則相較于甲容器（或假設(shè)狀況）而言，丙容器平衡向正向移動(dòng)，也就是說，丙容器的轉(zhuǎn)化率比甲容器還要大一些．因此2c₁＜c₃、α₂＜α₃；
（3）平衡時(shí)混合氣體密度是同溫同壓下起始時(shí)的1.6倍，則總物質(zhì)的量變?yōu)樵�先�?span id="n1tb9we" class="MathJye" mathtag="math" style="whiteSpace:nowrap;wordSpacing:normal;wordWrap:normal">

5

8

倍，據(jù)此判斷反應(yīng)的方向；
（4）負(fù)極上的電極反應(yīng)式等于電池的總反應(yīng)式-正極發(fā)生的電極方程式；

解答：解：I．①2CO（g）+O₂（g）=2CO₂（g）△H=-566kJ/mol
②2Fe（s）+

3

2

O₂（g）=Fe₂O₃（s）△H=-825.5kJ/mol
由蓋斯定律①×

3

2

-②得到Fe₂O₃（s）+3CO（g）?2Fe（s）+3CO₂（g）
則△H=-566×

3

2

+825.5=-23.5kJ/mol，
故答案為：-23.5；
II （1）令平衡時(shí)CO的物質(zhì)的量變化為nmol，則：
            

1

3

Fe₂O₃（s）+CO（g）?

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

n+1

1-n

=4，解得n=0.6，則CO的平衡轉(zhuǎn)化率為

0.6mol

1mol

×100%=60%，故答案為：60%；
（2）a．該反應(yīng)正反應(yīng)是放熱反應(yīng)，提高反應(yīng)溫度，平衡向逆反應(yīng)移動(dòng)，CO的平衡轉(zhuǎn)化率降低，故a錯(cuò)誤；
b．反應(yīng)前后氣體的物質(zhì)的量不變，減小容器的容積，增大壓強(qiáng)平衡不移動(dòng)，CO的平衡轉(zhuǎn)化率不變，故b錯(cuò)誤；
c．加入合適的催化劑，平衡不移動(dòng)，故c錯(cuò)誤；
d．移出部分CO₂，平衡向正反應(yīng)移動(dòng)，CO的平衡轉(zhuǎn)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，平衡不移動(dòng)，故e錯(cuò)誤；
故選d；
III（1）達(dá)到平衡時(shí)生成甲醇為：0.75mol/L，則消耗的c（H₂）=2×0.75mol/L=1.5mol/L，v（H₂）=

△c

△t

=

1.5mol/L

10min

=0.15mol/（L?min）
（2）A、甲、乙相比較，把乙等效為開始加入1mol CO和2mol H₂，和甲是等效的，甲乙是等效平衡，所以平衡時(shí)甲醇的濃度c₁=c₂，故A正確；
B、甲、丙相比較，丙中反應(yīng)物的物質(zhì)的量為甲的2倍，壓強(qiáng)增大，對(duì)于反應(yīng)CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g），平衡向生成甲醇的方向移動(dòng)，故2Q₁＜Q₃，故B錯(cuò)誤；
C、甲、丙相比較，丙中反應(yīng)物的物質(zhì)的量為甲的2倍，壓強(qiáng)增大，對(duì)于反應(yīng)CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g），平衡向生成甲醇的方向移動(dòng)，故a₁＜a₃ ，故C錯(cuò)誤；
D、甲、乙處于相同的平衡狀態(tài)，而且反應(yīng)方向相反，則α₁+α₂=1，故D正確；
E、甲、乙處于相同的平衡狀態(tài)，而且反應(yīng)方向相反，兩個(gè)方向轉(zhuǎn)化的和恰好為1mol，所以該反應(yīng)若生成1mol CH₃OH，則放出（Q₁+Q₂）kJ熱量，故E正確；
故答案為：ADE；
（3）反應(yīng)前后氣體總質(zhì)量不變，同溫、同壓下，達(dá)到平衡時(shí)，氣體密度增大，即氣體體積縮��；平衡時(shí)混合氣體密度是同溫同壓下起始時(shí)的1.6倍，則總物質(zhì)的量變?yōu)樵�先�?span id="8caz86e" class="MathJye" mathtag="math" style="whiteSpace:nowrap;wordSpacing:normal;wordWrap:normal">

5

8

倍，總物質(zhì)的量=4×

5

8

=2.5mol，反應(yīng)前后減少了1.5mol，即化學(xué)反應(yīng)向著正反應(yīng)方向進(jìn)行，故答案為：正；
（4）以甲醇、空氣、氫氧化鉀溶液為原料，石墨為電極可構(gòu)成燃料電池，正極反應(yīng)為：3O₂+12H₂O+12e^-=12OH^-，總反應(yīng)式為：2CH₃OH+3O₂+4OH^-=2CO₃^2-+6H₂O，兩式相減，負(fù)極反應(yīng)為：CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O，
故答案為：CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O．

點(diǎn)評(píng)：本題綜合考查了蓋斯定律的應(yīng)用、化學(xué)平衡、電化學(xué)等知識(shí)，題目側(cè)重于等效平衡的計(jì)算，為該題的難點(diǎn)，也是易錯(cuò)點(diǎn)，注意理解等效平衡問題．