Question

11．我國是個鋼鐵大國，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．已知反應(yīng)$\frac{1}{3}$Fe₂O₃（s）+CO（g）?$\frac{2}{3}$Fe（s）+CO₂（g）△H=-23.5kJ•mol^-1，該反應(yīng)在1000℃時的平衡常數(shù)等于4．在一個容積為10L的密閉容器中，1000℃時加入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=60%．
（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d．
a．提高反應(yīng)溫度        b．增大反應(yīng)體系的壓強   c．選取合適的催化劑    d．及時吸收或移出部分CO₂
e．粉碎礦石，使其與平衡混合氣體充分接觸
Ⅱ．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）．請根據(jù)圖示回答下列問題：
（3）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）=0.15mol/（L•min）．
（4）已知氫氣的燃燒熱為286kJ/mol，請寫出甲醇?xì)怏w不充分燃燒的熱化學(xué)方程式：CH₃OH（g）+O₂（g）=2H₂O（l）+CO（g）△H=-481kJ/mol．
（5）若在溫度和容積相同的三個密閉容器中，按不同方式投入反應(yīng)物，測得反應(yīng)達(dá)到平衡時的有關(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	α1	c1	放出Q1 kJ熱量
乙	1mol CH3OH	α2	c2	吸收Q2 kJ熱量
丙	2mol CO和4mol H2	α3	c3	放出Q3 kJ熱量

則下列關(guān)系正確的是ADE．
A．c₁=c₂B.2Q₁=Q₃C.2α₁=α₃D．α₁+α₂=1
E．該反應(yīng)若生成1mol CH₃OH，則放出（Q₁+Q₂）kJ熱量．

Answer 1

分析 I．（1）令平衡時CO的物質(zhì)的量變化為nmol，表示出平衡時CO、CO₂的物質(zhì)的量，化學(xué)計量數(shù)都是1，利用物質(zhì)的量代替濃度代入平衡常數(shù)計算n的值，再利用轉(zhuǎn)化率定義計算CO的轉(zhuǎn)化率；
（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；
b．反應(yīng)前后氣體的物質(zhì)的量不變，增大壓強平衡不移動；
c．加入合適的催化劑，平衡不移動；
d．移出部分CO₂，平衡向正反應(yīng)移動；
e．粉碎礦石，使其與平衡混合氣體充分接觸，平衡不移動；
Ⅱ（3）根據(jù)v=$\frac{△c}{△t}$計算v（CH₃OH），再利用速率之比等于化學(xué)計量數(shù)之比計算v（H₂）；
（4）氫氣的燃燒熱為286kJ/mol，則：2H₂（g）+O₂（g）=2H₂O（l）△H=-572kJ/mol ①，
由圖可得：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H=-91kJ/mol ②，
根據(jù)蓋斯定律，①-②可得：CH₃OH（g）+O₂（g）=2H₂O（l）+CO（g）；
（5）A．甲、乙是完全等效平衡，平衡時各組分的濃度相等；
B．丙與甲相比，等效為在甲平衡的基礎(chǔ)上再加入1mol CO和2mol H₂，壓強增大，平衡向正反應(yīng)方向移動，丙中反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率大于甲；
C．丙與甲相比，等效為在甲平衡的基礎(chǔ)上再加入1mol CO和2mol H₂，壓強增大，平衡向正反應(yīng)方向移動，轉(zhuǎn)化率增大，但2α₁不一定等于α₃ ；
D．CO的轉(zhuǎn)化率為α₁，則平衡時CO的物質(zhì)的量為（1-α₁）mol，乙中平衡時甲醇的轉(zhuǎn)化率為α₂，乙中平衡時CO的物質(zhì)的量為α₂mol，甲與乙是完全等效平衡，平衡時對應(yīng)各組分的含量完全相同；
E．令平衡時CO的物質(zhì)的量為nmol，CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）的反應(yīng)熱△H=-QkJ/mol，則Q₁=（1-n）Q、Q₂=nQ，整理得Q=Q₁+Q₂．

解答 解：I（1）令平衡時CO的物質(zhì)的量變化為nmol，則
  $\frac{1}{3}$Fe₂O₃（s）+CO（g）?$\frac{2}{3}$Fe（s）+CO₂（g）
開始（mol）：1                                1
變化（mol）：n                                n
平衡（mol）：1-n                            n+1
所以 $\frac{n+1}{1-n}$=4，解得n=0.6，則CO的平衡轉(zhuǎn)化率為 $\frac{0.6mol/L}{1mol}$×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，CO的平衡轉(zhuǎn)化率降低，故a錯誤；
b．反應(yīng)前后氣體的物質(zhì)的量不變，增大壓強平衡不移動，CO的平衡轉(zhuǎn)化率不變，故b錯誤；
c．加入合適的催化劑，平衡不移動，故c錯誤；
d．移出部分CO₂，平衡向正反應(yīng)移動，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，可以加快反應(yīng)速率，但平衡不移動，故e錯誤；
故答案為：d；
Ⅱ（3）由圖可知，達(dá)到平衡時甲醇的濃度變化為0.75mol/L，則v（CH₃OH）=$\frac{0.75mol/L}{10min}$=0.075mol/（L．min），速率之比等于化學(xué)計量數(shù)之比，v（H₂）=2v（CH₃OH）=0.15mol/（L•min），
故答案為：0.15mol/（L•min）；
（4）氫氣的燃燒熱為286kJ/mol，則：2H₂（g）+O₂（g）=2H₂O（l）△H=-572kJ/mol ①，
由圖可得：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H=-91kJ/mol ②，
根據(jù)蓋斯定律，①-②可得：CH₃OH（g）+O₂（g）=2H₂O（l）+CO（g），
則甲醇?xì)怏w不充分燃燒的熱化學(xué)方程式：CH₃OH（g）+O₂（g）=2H₂O（l）+CO（g）△H=-481kJ/mol，
故答案為：CH₃OH（g）+O₂（g）=2H₂O（l）+CO（g）△H=-481kJ/mol；
（5）A．甲、乙是完全等效平衡，平衡時各組分的濃度相等，所以平衡時甲醇的濃度c₁=c₂，故A正確；
B．丙與甲相比，等效為在甲平衡的基礎(chǔ)上再加入1mol CO和2mol H₂，壓強增大，平衡向正反應(yīng)方向移動，丙中反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率大于甲，丙中參加反應(yīng)的CO大于甲中的2倍，故2Q₁＜Q₃，故B錯誤；
C．丙與甲相比，等效為在甲平衡的基礎(chǔ)上再加入1mol CO和2mol H₂，壓強增大，平衡向正反應(yīng)方向移動，丙中反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率大于甲，但2α₁不一定等于α₃ ，故C錯誤；
D．甲與乙是完全等效平衡，平衡時對應(yīng)各組分的含量完全相同，CO的轉(zhuǎn)化率為α₁，則平衡時CO的物質(zhì)的量為（1-α₁）mol，乙中平衡時甲醇的轉(zhuǎn)化率為α₂，乙中平衡時CO的物質(zhì)的量為α₂mol，故（1-α₁）=α₂，整理得α₁+α₂=1，故D正確；
E．令平衡時CO的物質(zhì)的量為nmol，CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）的反應(yīng)熱△H=-QkJ/mol，則Q₁=（1-n）Q、Q₂=nQ，整理得Q=Q₁+Q₂，故1mol CH₃OH，則放出（Q₁+Q₂）kJ熱量，故E正確，
故答案為：ADE．

點評 本題綜合考查了化學(xué)平衡計算、等效平衡等，Ⅱ中等效平衡的計算，為該題的難點，也是易錯點，注意理解等效平衡問題，思維量大，題目難度中等．