Question

5．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）△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(xué)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(shè)計(jì)成燃料電池（以KOH溶液為電解液）．寫(xiě)出該電池的負(fù)極反應(yīng)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(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)間的變化見(jiàn)圖1．
①曲線(xiàn)I、Ⅱ?qū)��?yīng)的平衡常數(shù)大小關(guān)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(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 mol CO2、b mol H2 c mol CH3OH（g）、c mol H2O（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(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)間的變化見(jiàn)圖2．在0～15小時(shí)內(nèi)，CH₄的平均生成速率Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ從大到小的順序?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)系見(jiàn)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(xiě)出有關(guān)的離子方程式：3Cu₂Al₂O₄+32H⁺+2NO₃^-=6Cu²⁺+6Al³⁺+2NO↑+16H₂O．

Answer 1

分析 （1）依據(jù)熱化學(xué)方程式 和蓋斯定律計(jì)算①-②×3得到，分析判斷；
（2）CO燃料電池中，負(fù)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?yàn)殡娊赓|(zhì)是KOH溶液，不會(huì)在電極上放出二氧化碳；
（3）①I(mǎi)I平衡時(shí)間小于I，說(shuō)明II反應(yīng)速率大于I，且平衡時(shí)II中CH₃OH的物質(zhì)的量小于I，說(shuō)明平衡向逆反應(yīng)方向移動(dòng)，則只能是升高溫度，溫度越高，化學(xué)平衡常數(shù)越��；
②根據(jù)平衡三部曲求出甲中平衡時(shí)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?jǐn)?shù)相等，且起始時(shí)維持反應(yīng)逆向進(jìn)行來(lái)判斷范圍；
（4）相同時(shí)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(shí)間甲烷的物質(zhì)的量的變化量越小，平均反應(yīng)速率越�。�由圖2可知反應(yīng)開(kāi)始后的15小時(shí)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(duì)催化劑活性的影響可知在300℃時(shí)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(jià)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(zhì)溶液時(shí)，負(fù)極上是CO發(fā)生失電子的氧化反應(yīng)，又因?yàn)殡娊赓|(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）①I(mǎi)I平衡時(shí)間小于I，說(shuō)明II反應(yīng)速率大于I，且平衡時(shí)II中CH₃OH的物質(zhì)的量小于I，說(shuō)明平衡向逆反應(yīng)方向移動(dòng)，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(yīng)方向移動(dòng)，導(dǎo)致化學(xué)平衡常數(shù)越小，所以K_Ⅰ＞K_Ⅱ，
故答案為：＞；
②設(shè)二氧化碳反應(yīng)量為x
             CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）
初始量（mol）：1        3           0          0
轉(zhuǎn)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(qiáng)為開(kāi)始時(shí)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(shí)維持反應(yīng)逆向進(jìn)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(shí)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）≤1；
（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(guò)250℃時(shí)，催化劑的催化效率降低，在300℃時(shí)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(diǎn)評(píng) 本題主要考查了化學(xué)反應(yīng)常數(shù)、化學(xué)平衡以及原電池原理的運(yùn)用，難度不大，根據(jù)所學(xué)知識(shí)即可完成．