Question

16．研究和深度開(kāi)發(fā)CO、CO₂的應(yīng)用對(duì)構(gòu)建生態(tài)文明社會(huì)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(xué)方程式為Fe₂O₃ （s）+3CO（g）=2Fe（s）+3CO₂ （g）△H=-28.5kJ•mol^-1．
（2）CO與O₂設(shè)計(jì)成燃料電池（以KOH溶液為電解液）．該電池的負(fù)極反應(yīng)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(fā)生反應(yīng)：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g） 測(cè)得CH₃OH的物質(zhì)的量隨時(shí)間的變化如圖1．

①該反應(yīng)的△H＞0（填“大于或小于”），曲線I、Ⅱ?qū)��?yīng)的平衡常數(shù)大小關(guān)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(gè)密閉容器中，按如下方式加入反應(yīng)物，一段時(shí)間后達(dá)到平衡．

容  器	甲	乙
反應(yīng)物投入量	1mol CO2、3mol H2	a molCO2、3a molH2、 b molCH3OH（g）、b molH2O（g）

若甲中平衡后氣體的壓強(qiáng)為開(kāi)始的0.8倍，要使平衡后乙與甲中相同組分的體積分?jǐn)?shù)相等，且起始時(shí)維持化學(xué)反應(yīng)向逆反應(yīng)方向進(jìn)行，則b的取值范圍為0.4＜b≤1．
（4）利用光能和光催化劑，可將CO₂和H₂O（g）轉(zhuǎn)化為CH₄和O₂．紫外光照射時(shí)，在不同催化劑（I、II、III）作用下，CH₄產(chǎn)量隨光照時(shí)間的變化如圖2．在0～15小時(shí)內(nèi)，CH₄的平均生成速率I、II和III從小到大的順序?yàn)镮I＞III＞I（填序號(hào)）．
（5）以TiO₂/Cu₂Al₂O₄為催化劑，可以將CO₂和CH₄直接轉(zhuǎn)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(guān)系如圖3．
①當(dāng)溫度在300℃～400℃范圍時(shí)，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(chǎn)物為NO，寫(xiě)出有關(guān)的離子方程式3Cu₂Al₂O₄+32H⁺+2NO₃^-=6Cu²⁺+6Al³⁺+2NO↑+16H₂O．

Answer 1

分析 （1）根據(jù)蓋斯定律，熱化學(xué)方程式①-②×3可得：Fe₂O₃ （s）+3CO（g）=2Fe（s）+3CO₂ （g），反應(yīng)熱也進(jìn)行相應(yīng)計(jì)算；
（2）負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，正極發(fā)生還原反應(yīng)，CO在負(fù)極通入，氧氣在正極通入，CO在負(fù)極失去電子，堿性條件下生成CO₃^2-與水；
（3）①由圖象判斷Ⅱ溫度高于I，但I(xiàn)甲醇物質(zhì)的量多，溫度高平衡正向移動(dòng)，平衡常數(shù)大，正反應(yīng)為吸熱反應(yīng)；
②甲中平衡后氣體物質(zhì)的量為4×0.8=3.2mol，氣體物質(zhì)的量變化△n=4-3.2=0.8mol
            CO₂（g）+3H₂（g）CH₃OH（g）+H₂O（g）△n=2
起始量（mol）：1      3
轉(zhuǎn)化量（mol）：0.4      1.2             0.4      0.4      0.8
平衡量（mol）：0.6     1.8             0.4     0.4
乙中平衡與甲中為等效平衡，為全等等效，即等效轉(zhuǎn)化為反應(yīng)物量相等，若保持平衡逆向移動(dòng)，則甲醇的物質(zhì)的量大于甲中平衡時(shí)物質(zhì)的量，若二氧化碳起始為0時(shí)，b的值最大；
（4）在0～15小時(shí)內(nèi)，相同時(shí)間內(nèi)甲烷的產(chǎn)量越大，說(shuō)明反應(yīng)速率越快；
（5）①?gòu)?00℃開(kāi)始，催化劑對(duì)反應(yīng)基本沒(méi)有影響，溫度升高，生成乙酸速率增大；
②Cu₂Al₂O₄中銅為+1價(jià)，與硝酸反應(yīng)被氧化為+2價(jià)，硝酸被還原為NO．

解答 解：（1）已知：①Fe₂O₃（s）+3C（s）═2Fe （s）+3CO（g）△H₁=+489.0kJ•mol^-1，
②C（s）+CO₂（g）═2CO（g）△H₂=+172.5kJ•mol^-1，
根據(jù)蓋斯定律，熱化學(xué)方程式①-②×3可得：Fe₂O₃ （s）+3CO（g）=2Fe（s）+3CO₂ （g）△H=-28.5kJ•mol^-1，
故答案為：Fe₂O₃ （s）+3CO（g）=2Fe（s）+3CO₂ （g）△H=-28.5kJ•mol^-1；
（2）負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，正極發(fā)生還原反應(yīng)，CO在負(fù)極通入，氧氣在正極通入，CO在負(fù)極失去電子，堿性條件下生成CO₃^2-與水，負(fù)極電極反應(yīng)式為：CO+4OH^--2e^-=CO₃^2-+2H₂O，
故答案為：CO+4OH^--2e^-=CO₃^2-+2H₂O；
（3）①由圖象判斷Ⅱ溫度高于I，但I(xiàn)甲醇物質(zhì)的量多，溫度高平衡正向移動(dòng)，平衡常數(shù)大，正反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，則該反應(yīng)的△H＞0，K_Ⅰ＜K_Ⅱ，
故答案為：＞；＜；
②甲中平衡后氣體物質(zhì)的量為4×0.8=3.2mol，氣體物質(zhì)的量變化△n=4-3.2=0.8mol
             CO₂（g）+3H₂（g）CH₃OH（g）+H₂O（g）△n=2
起始量（mol）：1        3
轉(zhuǎn)化量（mol）：0.4      1.2            0.4      0.4    0.8
平衡量（mol）：0.6      1.8            0.4      0.4
乙中平衡與甲中為等效平衡，為全等等效，即等效轉(zhuǎn)化為反應(yīng)物量相等，若保持平衡逆向移動(dòng)，則甲醇的物質(zhì)的量大于甲中平衡時(shí)物質(zhì)的量，即b＞0.4，若二氧化碳起始為0時(shí)，b的值最大為1，故0.4＜b≤1，
故答案為：0.4＜b≤1；
（4）在0～15小時(shí)內(nèi)，相同時(shí)間內(nèi)甲烷的產(chǎn)量越大，說(shuō)明反應(yīng)速率越快，由圖Ⅱ可知，CH₄的平均生成速率順序?yàn)镮I＞III＞I，
故答案為：II＞III＞I；
（5）①?gòu)?00℃開(kāi)始，催化劑對(duì)反應(yīng)基本沒(méi)有影響，溫度升高，生成乙酸速率增大，所以①當(dāng)溫度在300℃～400℃范圍時(shí)，溫度是乙酸生成速率的主要影響因素，
故答案為：300℃～400℃；
②Cu₂Al₂O₄中銅為+1價(jià)，與硝酸反應(yīng)被氧化為+2價(jià)，硝酸被還原為NO，反應(yīng)的離子方程式為：3Cu₂Al₂O₄+32H⁺+2NO₃^-=6Cu²⁺+6Al³⁺+2NO↑+16H₂O，
故答案為：3Cu₂Al₂O₄+32H⁺+2NO₃^-=6Cu²⁺+6Al³⁺+2NO↑+16H₂O．

點(diǎn)評(píng) 本題考查化學(xué)平衡計(jì)算與影響因素、蓋斯定律應(yīng)用、原電池原理、化學(xué)圖象問(wèn)題、氧化還原反應(yīng)等，題目比較綜合，是對(duì)學(xué)生綜合能力的考查，難度中等．