Question

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：2CO（g）+O₂（g）=2CO₂（g）△H=-566kJ/mol
2Fe（s）+

3

2

O₂（g）=Fe₂O₃（s）△H=-825.5kJ/mol
反应：Fe₂O₃（s）+3CO（g）?2Fe（s）+3CO₂（g）△H=

 

kJ/mol．
Ⅱ．反应 

1

3

Fe₂O₃（s）+CO（g）?

2

3

Fe（s）+CO₂（g）在1000℃的平衡常数等于4.0．在一个容积为10L的密闭容器中，1000℃时加入Fe、Fe₂O₃、CO、CO₂各1.0mol，反应经过10min后达到平衡．
（1）CO的平衡转化率=

 

．
（2）欲提高CO的平衡转化率，促进Fe₂O₃的转化，可采取的措施是

 

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
Ⅲ．（1）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：

（1）从反应开始到平衡，用H₂浓度变化表示平均反应速率v（H₂）=

 

．
（2）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	a1	c1	放出Q1kJ热量
乙	1mol CH3OH	a2	c2	吸收Q2kJ热量
丙	2mol CO和4mol H2	a3	c3	放出Q3kJ热量

则下列关系正确的是

 

．
A c₁=c₂ B.2Q₁=Q₃ C.2a₁=a₃ D．a₁+a₂=1
E．该反应若生成1mol CH₃OH，则放出（Q₁+Q₂）kJ热量
（3）若在一体积可变的密闭容器中充入1 molCO、2mol H₂和1mol CH₃OH，达到平衡吋测得混合气体的密度是同温同压下起始的1.6倍，则该反应向

 

（填“正”、“逆”）反应方向移动．
（4）甲醇可与氧气构成燃料电池，该电池用多孔的惰性电极浸入浓氢氧化钾溶液，写出该电池的负极反应式

 

．

Answer 1

分析：I．依据热化学方程式和盖斯定律计算得到需要的热化学方程式；
II．（1）令平衡时CO的物质的量变化为nmol，利用三段式表示出平衡时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）提高CO的平衡转化率，应使平衡向正反应移动，但不能增大CO的用量，结合选项根据平衡移动原理分析；
III（1）根据图象中生成甲醇的量求出消耗的氢气的量，再求出氢气的反应速率；
（2）甲容器反应物投入1molCO 2molH₂与乙容器反应物投入1mol CH₃OH在保持恒温、恒容情况下是等效平衡，平衡时CH₃OH的浓度c₁=c₂、α₁+α₂=1、Q₁+Q₂能量总变化相当于1molCO.2molH₂完全转化成1mol CH₃OH的能量，即吸放热Q₁+Q₂数值上就等于90.8kJ；甲容器反应物投入量1molCO、2molH₂与丙容器反应物投入量2molCO、4molH₂，若恒温且丙容器容积是甲容器2倍，则甲容器与丙容器也是等效平衡，然而现在是温度、容积相同的3个密闭容器，可以当成是在恒温且容积是甲容器两倍条件下，体积受到了压缩，原反应正向气体体积减少，由平衡移动原理，则相较于甲容器（或假设状况）而言，丙容器平衡向正向移动，也就是说，丙容器的转化率比甲容器还要大一些．因此2c₁＜c₃、α₂＜α₃；
（3）平衡时混合气体密度是同温同压下起始时的1.6倍，则总物质的量变为原先的

5

8

倍，据此判断反应的方向；
（4）负极上的电极反应式等于电池的总反应式-正极发生的电极方程式；

解答：解：I．①2CO（g）+O₂（g）=2CO₂（g）△H=-566kJ/mol
②2Fe（s）+

3

2

O₂（g）=Fe₂O₃（s）△H=-825.5kJ/mol
由盖斯定律①×

3

2

-②得到Fe₂O₃（s）+3CO（g）?2Fe（s）+3CO₂（g）
则△H=-566×

3

2

+825.5=-23.5kJ/mol，
故答案为：-23.5；
II （1）令平衡时CO的物质的量变化为nmol，则：
            

1

3

Fe₂O₃（s）+CO（g）?

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

n+1

1-n

=4，解得n=0.6，则CO的平衡转化率为

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，平衡不移动，故e错误；
故选d；
III（1）达到平衡时生成甲醇为：0.75mol/L，则消耗的c（H₂）=2×0.75mol/L=1.5mol/L，v（H₂）=

△c

△t

=

1.5mol/L

10min

=0.15mol/（L?min）
（2）A、甲、乙相比较，把乙等效为开始加入1mol CO和2mol H₂，和甲是等效的，甲乙是等效平衡，所以平衡时甲醇的浓度c₁=c₂，故A正确；
B、甲、丙相比较，丙中反应物的物质的量为甲的2倍，压强增大，对于反应CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g），平衡向生成甲醇的方向移动，故2Q₁＜Q₃，故B错误；
C、甲、丙相比较，丙中反应物的物质的量为甲的2倍，压强增大，对于反应CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g），平衡向生成甲醇的方向移动，故a₁＜a₃ ，故C错误；
D、甲、乙处于相同的平衡状态，而且反应方向相反，则α₁+α₂=1，故D正确；
E、甲、乙处于相同的平衡状态，而且反应方向相反，两个方向转化的和恰好为1mol，所以该反应若生成1mol CH₃OH，则放出（Q₁+Q₂）kJ热量，故E正确；
故答案为：ADE；
（3）反应前后气体总质量不变，同温、同压下，达到平衡时，气体密度增大，即气体体积缩小；平衡时混合气体密度是同温同压下起始时的1.6倍，则总物质的量变为原先的

5

8

倍，总物质的量=4×

5

8

=2.5mol，反应前后减少了1.5mol，即化学反应向着正反应方向进行，故答案为：正；
（4）以甲醇、空气、氢氧化钾溶液为原料，石墨为电极可构成燃料电池，正极反应为：3O₂+12H₂O+12e^-=12OH^-，总反应式为：2CH₃OH+3O₂+4OH^-=2CO₃^2-+6H₂O，两式相减，负极反应为：CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O，
故答案为：CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O．

点评：本题综合考查了盖斯定律的应用、化学平衡、电化学等知识，题目侧重于等效平衡的计算，为该题的难点，也是易错点，注意理解等效平衡问题．