Question

【題目】研究和深度開(kāi)發(fā)CO、CO2的應(yīng)用對(duì)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) ΔH1=+489.0kJmol-1，

C(s)+CO2(g)=2CO(g) △H2=+172.5kJmol-1

則CO還原Fe2O3(s)的熱化學(xué)方程式為____________________。

（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：__________________。

（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線Ⅰ、Ⅱ?qū)��?yīng)的平衡常數(shù)大小關(guān)系為KI______KⅡ（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 molH2O(g)

若甲中平衡后氣體的壓強(qiáng)為開(kāi)始的0.8倍，要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____________。

（4）利用光能和光催化劑，可將CO2和H2(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)?/span>_____________（填序號(hào)）

（5）一種甲醇燃料電池，使用的電解質(zhì)溶液是2mol·L-1的KOH溶液。

請(qǐng)寫(xiě)出加入（通入）b物質(zhì)一極的電極反應(yīng)式________________；每消耗6.4g甲醇轉(zhuǎn)移的電子數(shù)為_______________。

（6）一定條件下甲醇與一氧化碳反應(yīng)可以合成乙酸。通常狀況下，將amol/L的醋酸與bmol/LBa(OH)2溶液等體積混合后，溶液中:2c(Ba2+)=c(CH3COO-)，用含a和b的代數(shù)式表示該混合溶液中醋酸的電離常數(shù)Ka為__________________。

Answer 1

【答案】 Fe2O3(s)+3CO(g)2Fe(s)+3CO2(g) ΔH= -28.5kJ·mol-1 CO+4OH--2e-=CO32-+2H2O ＞ 0.4<n(c)≤1mol Ⅱ>Ⅲ>I O2+4e-+2H2O=4OH- 1.2NA或1.2mol

【解析】(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(jìn)行加減構(gòu)造目標(biāo)熱化學(xué)方程式，反應(yīng)熱也乘以相應(yīng)的系數(shù)并進(jìn)行相應(yīng)的加減，據(jù)此計(jì)算；

(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)，據(jù)此書(shū)寫(xiě)電極反應(yīng)式；

(3)①Ⅱ比Ⅰ的甲醇的物質(zhì)的量少，根據(jù)K=分析判斷；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)速率越小，據(jù)此分析解答；

(5)根據(jù)電子移動(dòng)的分析判斷出正負(fù)極，負(fù)極上甲醇失去電子發(fā)生氧化反應(yīng)，正極上氧氣得到電子發(fā)生還原反應(yīng)；根據(jù)電子與甲醇的物質(zhì)的量關(guān)系計(jì)算；

(6)通常狀況下，將a mol/L的醋酸與b mol/L Ba(OH)2溶液等體積混合，溶液中溶質(zhì)為醋酸鋇和氫氧化鋇，反應(yīng)平衡時(shí)，2c(Ba2+)=c(CH3COO-)=bmol/L，溶液中c(H+)=c(OH-)=10-7mol/L，溶液呈中性，根據(jù)醋酸電離平衡常數(shù)K=計(jì)算。

(1)①Fe2O3(s)+3C(石墨)=2Fe(s)+3CO(g)△H1=+489.0kJ/mol；②C(石墨)+CO2(g)=2CO(g)△H2=+172.5kJ/mol；由①-②×3，得到熱化學(xué)方程式：Fe2O3(s)+3CO(g)=2Fe(s)+3CO2(g)△H=-28.5kJ/mol，故答案為：Fe2O3(s)+3CO(g)=2Fe(s)+3CO2(g)△H=-28.5kJ/mol；

(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)，電極反應(yīng)式為：CO+4OH--2e-=CO32-+2H2O，正極上是氧氣發(fā)生得電子的還原反應(yīng)，電極反應(yīng)式為：O2+4e-+2H2O=4OH-，故答案為：CO+4OH--2e-=CO32-+2H2O；

(3)①平衡時(shí)，Ⅱ比Ⅰ的甲醇的物質(zhì)的量少，則二氧化碳和氫氣的物質(zhì)的量越多，根據(jù)K=知，平衡常數(shù)越小，故KⅠ＞KⅡ，故答案為：＞；

② CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)

初始(mol) 1 3 0 0

平衡(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=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)≤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)根據(jù)圖示可知，電子由a電極經(jīng)導(dǎo)線流向b電極，因此a為負(fù)極，b為正極，該電池負(fù)極是甲醇失電子生成碳酸鉀，正極上是空氣中的氧氣得到電子生成氫氧根離子，電極反應(yīng)式為O2+4e-+2H2O=4OH-；每消耗6.4g 甲醇的物質(zhì)的量==0.2mol，反應(yīng)中甲醇中的碳元素由-2價(jià)變成+4價(jià)，轉(zhuǎn)移電子的物質(zhì)的量為1.2mol，故答案為：O2+4e-+2H2O=4OH-；1.2mol或1.2NA；

(6)通常狀況下，將a mol/L的醋酸與b mol/L Ba(OH)2溶液等體積混合，溶液中溶質(zhì)為醋酸鋇和氫氧化鋇，反應(yīng)平衡時(shí)，2c(Ba2+)=c(CH3COO-)=bmol/L，溶液中c(H+)=c(OH-)=10-7mol/L，溶液呈中性，醋酸電離平衡常數(shù)K===，故答案為：。