Question

19．我国是个钢铁大国，钢铁产量为世界第一，高炉炼铁是最为普遍的炼铁方法．
I．已知反应Fe₂O₃（s）+CO（g）?Fe（s）+CO₂（g）△H=-23.5kJ•mol^-1，该反应在1000℃的平衡常数等于4．在一个容积为10L的密闭容器中，1000℃时加入Fe、Fe₂O₃、CO、CO₂各1.0mol，应经过l0min后达到平衡．
（1）CO的平衡转化率=60%
（2）欲提高CO的平衡转化率，促进Fe₂O₃的转化，可采取的措施是d．
a．提高反应温度
b．增大反应体系的压强
c．选取合适的催化剂
d．及时吸收或移出部分CO₂
e．粉碎矿石，使其与平衡混合气体充分接触
Ⅱ．高炉炼铁产生的废气中的CO可进行回收，使其在一定条件下和H₂反应制备甲醇：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）．请根据图示回答下列问题：

（3）从反应开始到平衡，用H₂浓度变化表示平均反应速率v（H₂）=0.15mol/（L•min）．
（4）已知氢气的燃烧热286kJ/mol，请写出甲醇气体不充分燃烧的热化学方程式CH₃OH（g）+O₂（g）=2H₂O（l）+CO（g）△H=-481kJ/mol．
（5）若在温度和容器相同的三个密闭容器中，按不同方式投入反应物，测得反应达到平衡吋的有关数据如下表：

容器	反应物投入的量	反应物的 转化率	CH3OH的浓度	能量变化 （Q1、Q2、Q3均大于0）
甲	1mol CO和2mol H2	α1	c1	放出Q1kJ热量
乙	1mol CH3OH	α2	c2	吸收Q2kJ热量
丙	2mol CO和4mol H2	α3	c3	放出Q3kJ热量

则下列关系正确的是ADE
A．c₁=c₂B.2Q₁=Q₃C.2α₁=α₃D．α₁+α₂=1E．该反应若生成1mol CH₃OH，则放出（Q₁+Q₂）kJ热量
Ⅲ．以甲烷为燃料的新型电池，其成本大大低于以氢为燃料的传统燃料电池，目前得到广泛的研究，如图是目前研究较多的一类固体氧化物燃料电池工作原理示意图．回答下列问题：

（6）B极上的电极反应式为CH₄-8e^-+4O^2-=CO₂+2H₂O．
（7）若用该燃料电池做电源，用石墨做电极电解100mL 1mol/L的硫酸铜溶液，当两极收集到的气体体积相等时，理论上消耗的甲烷的体积为1.12L（标况下）．

Answer 1

分析 I．（1）令平衡时CO的物质的量变化为nmol，表示出平衡时CO、CO₂的物质的量，化学计量数都是1，利用物质的量代替浓度代入平衡常数计算n的值，进而计算CO的浓度变化量，再利用转化率定义计算CO的转化率；
（2）a．该反应正反应是放热反应，提高反应温度，平衡向逆反应移动；
b．反应前后气体的物质的量不变，减小容器的容积，增大压强平衡不移动；
c．加入合适的催化剂，平衡不移动；
d．移出部分CO₂，平衡向正反应移动；
e．粉碎矿石，使其与平衡混合气体充分接触，平衡不移动；
Ⅱ（3）根据v=$\frac{△c}{△t}$计算v（CH₃OH），再利用速率之比等于化学计量数之比计算v（H₂）；
（4）氢气的燃烧热为286kJ/mol，则：2H₂（g）+O₂（g）=2H₂O（l）△H=-572kJ/mol ①，
由图可得：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H=-91kJ/mol ②，
根据盖斯定律，①-②可得：CH₃OH（g）+O₂（g）=2H₂O（l）+CO（g）；
（5）A．甲、乙是完全等效平衡，平衡时各组分的浓度相等；
B．丙与甲相比，等效为在甲平衡的基础上再加入1mol CO和2mol H₂，压强增大，平衡向正反应方向移动，丙中反应物的转化率大于甲；
C．丙与甲相比，等效为在甲平衡的基础上再加入1mol CO和2mol H₂，压强增大，平衡向正反应方向移动，转化率增大，但2α₁不一定等于α₃ ；
D．CO的转化率为α₁，则平衡时CO的物质的量为（1-α₁）mol，乙中平衡时甲醇的转化率为α₂，乙中平衡时CO的物质的量为α₂mol，甲与乙是完全等效平衡，平衡时对应各组分的含量完全相同；
E．令平衡时CO的物质的量为nmol，CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）的反应热△H=-QkJ/mol，则Q₁=（1-n）Q、Q₂=nQ，整理得Q=Q₁+Q₂；
Ⅲ（6）B为负极，总反应式为CH₄+2O₂+=CO₂+2H₂O，正极反应式为：2O₂+8e^-=4O^2-，两式相减可得负极电极反应式；
（7）开始阶段发生反应：2Cu²⁺+2H₂O$\frac{\underline{\;电解\;}}{\;}$2Cu+O₂↑+4H⁺，铜离子完全放电后，发生反应2H₂O$\frac{\underline{\;电解\;}}{\;}$2H₂↑+O₂↑，当两极收集到的气体体积相等时，即氢气与氧气的体积相等，令是氢气为xmol，根据电子转移守恒列方程计算，再根据电子转移守恒计算消耗的甲烷．

解答 解：I（1）令平衡时CO的物质的量变化为nmol，则：
        $\frac{1}{3}$Fe₂O₃（s）+CO（g）?$\frac{2}{3}$Fe（s）+CO₂（g）
开始（mol）：1                1
变化（mol）：n                n
平衡（mol）：1-n              n+1
所以 $\frac{n+1}{1-n}$=4，解得n=0.6，则CO的平衡转化率为 $\frac{0.6mol}{1mol}$×100%=60%，
故答案为：60%；
（2）a．该反应正反应是放热反应，提高反应温度，平衡向逆反应移动，CO的平衡转化率降低，故a错误；
b．反应前后气体的物质的量不变，减小容器的容积，增大压强平衡不移动，CO的平衡转化率不变，故b错误；
c．加入合适的催化剂，平衡不移动，故c错误；
d．移出部分CO₂，平衡向正反应移动，CO的平衡转化率增大，故d正确；
e．粉碎矿石，使其与平衡混合气体充分接触，可以加快反应速率，但平衡不移动，故e错误；
故答案为：d；
Ⅱ（3）由图可知，达到平衡时甲醇的浓度变化为0.75mol/L，则v（CH₃OH）=$\frac{0.75mol/L}{10min}$=0.075mol/（L．min），速率之比等于化学计量数之比，v（H₂）=2v（CH₃OH）=0.15mol/（L•min），
故答案为：0.15mol/（L•min）；
（4）氢气的燃烧热为286kJ/mol，则：2H₂（g）+O₂（g）=2H₂O（l）△H=-572kJ/mol ①，
由图可得：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H=-91kJ/mol ②，
根据盖斯定律，①-②可得：CH₃OH（g）+O₂（g）=2H₂O（l）+CO（g），
则甲醇气体不充分燃烧的热化学方程式：CH₃OH（g）+O₂（g）=2H₂O（l）+CO（g）△H=-481kJ/mol，
故答案为：CH₃OH（g）+O₂（g）=2H₂O（l）+CO（g）△H=-481kJ/mol；
（5）A．甲、乙是完全等效平衡，平衡时各组分的浓度相等，所以平衡时甲醇的浓度c₁=c₂，故A正确；
B．丙与甲相比，等效为在甲平衡的基础上再加入1mol CO和2mol H₂，压强增大，平衡向正反应方向移动，丙中反应物的转化率大于甲，丙中参加反应的CO大于甲中的2倍，故2Q₁＜Q₃，故B错误；
C．丙与甲相比，等效为在甲平衡的基础上再加入1mol CO和2mol H₂，压强增大，平衡向正反应方向移动，丙中反应物的转化率大于甲，但2α₁不一定等于α₃ ，故C错误；
D．甲与乙是完全等效平衡，平衡时对应各组分的含量完全相同，CO的转化率为α₁，则平衡时CO的物质的量为（1-α₁）mol，乙中平衡时甲醇的转化率为α₂，乙中平衡时CO的物质的量为α₂mol，故（1-α₁）=α₂，整理得α₁+α₂=1，故D正确；
E．令平衡时CO的物质的量为nmol，CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）的反应热△H=-QkJ/mol，则Q₁=（1-n）Q、Q₂=nQ，整理得Q=Q₁+Q₂，故1mol CH₃OH，则放出（Q₁+Q₂）kJ热量，故E正确，
故答案为：ADE；
Ⅲ（6）总反应式为CH₄+2O₂+=CO₂+2H₂O，正极反应式为：2O₂+8e^-=4O^2-，两式相减，负极反应为：CH₄-8e^-+4O^2-=CO₂+2H₂O，
故答案为：CH₄-8e^-+4O^2-=CO₂+2H₂O；
（7）硫酸铜的物质的量=0.1L×1mol/L=0.1mol，开始阶段发生反应：2Cu²⁺+2H₂O$\frac{\underline{\;电解\;}}{\;}$2Cu+O₂↑+4H⁺，铜离子完全放电后，发生反应2H₂O$\frac{\underline{\;电解\;}}{\;}$2H₂↑+O₂↑，当两极收集到的气体体积相等时，即氢气与氧气的体积相等，令是氢气为xmol，根据电子转移守恒，则：0.1mol×2+2x=4x，解得x=0.1，
根据电子转移守恒，可知消耗的甲烷物质的量=$\frac{0.1mol×4}{8}$=0.05mol，故消耗甲烷的体积=0.05mol×22.4L/mol=1.12L，
故答案为：1.12L．

点评 本题综合考查了化学平衡计算、等效平衡等，Ⅱ中等效平衡的计算，为该题的难点，也是易错点，注意理解等效平衡问题，题目整体计算量很大，思维量大，难度较大．