Question

5．研究和深度開發(fā)CO、CO₂的應(yīng)用對構(gòu)建生態(tài)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(xué)方程式為Fe₂O₃（s）+3CO（g）=2Fe（s）+3CO₂（g）△H=-28.5 kJ•mol^-1．
（2）分離高爐煤氣得到的CO與空氣可設(shè)計成燃料電池（以KOH溶液為電解液）．寫出該電池的負極反應(yīng)式：CO+4OH^--2e^-=CO₃^2-+2H₂O．
（3）CO₂和H₂充人一定體積的密閉容器中，在兩種溫度下發(fā)生反應(yīng)：
  CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g），測得CH₃OH的物質(zhì)的量隨時間的變化見圖1．
①曲線I、Ⅱ?qū)��?yīng)的平衡常數(shù)大小關(guān)系為K₁＞K₂（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(yīng)物，一段時間后達到平衡．

容　　器	甲	乙
反應(yīng)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(shù)相等，且起始時維持化學(xué)反應(yīng)向逆反應(yīng)方向進行，則c的取值范圍為0.4＜n（c）≤1mol．
（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，在不同催化劑（I、Ⅱ，Ⅲ）作用下，CH₄產(chǎn)量隨光照時間的變化見圖2．在0～15小時內(nèi)，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(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(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，由已知熱化學(xué)方乘以適當(dāng)?shù)南禂?shù)進行加減構(gòu)造目標熱化學(xué)方程式，反應(yīng)熱也乘以相應(yīng)的系數(shù)并進行相應(yīng)的加減，據(jù)此計算；
（2）CO燃料電池中，負極上是CO發(fā)生失電子的氧化反應(yīng)，正極上是氧氣發(fā)生得電子的還原反應(yīng)，又因為電解質(zhì)是KOH溶液，不會在電極上放出二氧化碳．
（3）①Ⅱ比Ⅰ的甲醇的物質(zhì)的量少，根據(jù)K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）•c（{H}_{2}O）}{c（CO）•{c}^{3}（{H}_{2}）}$判斷；
②根據(jù)平衡三部曲求出甲中平衡時各氣體的物質(zhì)的量，然后根據(jù)平衡后乙與甲中相同組分的體積分數(shù)相等，且起始時維持反應(yīng)逆向進行來判斷范圍．
（4）相同時間甲烷的物質(zhì)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(zhì)的量的變化量越小，平均反應(yīng)速率越小．由圖2可知反應(yīng)開始后的15小時內(nèi)，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(jù)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(jù)氧化物與酸反應(yīng)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(jù)蓋斯定律①-②×3得到熱化學(xué)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）烷燃料電池以KOH溶液為電解質(zhì)溶液時，負極上是CO發(fā)生失電子的氧化反應(yīng)，又因為電解質(zhì)是KOH溶液，二氧化碳和氫氧化鉀反應(yīng)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比Ⅰ的甲醇的物質(zhì)的量少，則一氧化碳和氫氣的物質(zhì)的量越多，根據(jù)K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）•c（{H}_{2}O）}{c（CO）•{c}^{3}（{H}_{2}）}$知，平衡常數(shù)越小，故K_Ⅰ＞K_Ⅱ，
故答案為：＞；
②CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）
初始：1              3                0                  0
平衡：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（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(yīng)逆向進行，所以全部由生成物投料，c的物質(zhì)的量為1mol，c 的物質(zhì)的量不能低于平衡時的物質(zhì)的量0.4mol，所以c的物質(zhì)的量為：0.4＜n（c）≤1mol，
故答案為：0.4＜n（c）≤1mol；
（4）由圖2可知，在0～15h內(nèi)，甲烷的物質(zhì)的量變化量為△n（Ⅰ）＜△n（Ⅲ）＜△n（Ⅱ），故在0～15h內(nèi)，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(dǎo)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(yīng)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 本題主要考查了反應(yīng)熱的計算、化學(xué)反應(yīng)常數(shù)、化學(xué)平衡以及原電池原理的運用，掌握蓋斯定律的應(yīng)用、原電池的反應(yīng)原理、化學(xué)平衡相關(guān)計算是解答關(guān)鍵，題目難度中等．