Question

2．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）+$\frac{3}{2}$O₂（g）=Fe₂O₃（s）△H=-825.5kJ/mol
则反应：Fe₂O₃（s）+3CO（g）?2Fe（s）+3CO₂（g）△H=23.5kJ/mol．
II．反应$\frac{1}{3}$Fe₂O₃（s）+CO（g）?$\frac{2}{3}$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
III．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1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）若在一体积可变的密闭容器中充入l molCO、2molH₂和1molCH₃OH，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，则该反应向正（填“正”、“逆”）反应方向移动．
（5）以甲烷为燃料的新型电池，其成本大大低于以氢气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2．回答下列问题：
①B极上的电极反应式为CH₄-8e^-+40^2-=CO₂+2H₂O．
②若用该燃料电池做电源，用石墨做电极电解硫酸铜溶液，当阳极收集到11.2L（标准状况）气体时，消耗甲烷的体积为5.6L（标准状况下）．

Answer 1

分析 I．已知：①2CO（g）+O₂（g）=2CO₂（g）△H=-566kJ/mol
②2Fe（s）+$\frac{3}{2}$O₂（g）=Fe₂O₃（s）△H=-825.5kJ/mol
则依据盖斯定律计算①×$\frac{3}{2}$-②得到反应：Fe₂O₃（s）+3CO（g）?2Fe（s）+3CO₂（g）的热化学方程式得到反应的焓变；
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）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；
Ⅲ．（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）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$\frac{5}{8}$倍，据此判断反应的方向；
（5）由阴离子移动方向可知B为负极，负极上甲烷失电子发生氧化反应，甲烷被氧化生成二氧化碳和水：2Cu²⁺+2H₂O$\frac{\underline{\;通电\;}}{\;}$2Cu+O₂↑+4H⁺，结合电子守恒计算消耗甲烷的体积．

解答 解：I．已知：①2CO（g）+O₂（g）=2CO₂（g）△H=-566kJ/mol
②2Fe（s）+$\frac{3}{2}$O₂（g）=Fe₂O₃（s）△H=-825.5kJ/mol
则依据盖斯定律计算①×$\frac{3}{2}$-②得到反应：Fe₂O₃（s）+3CO（g）?2Fe（s）+3CO₂（g）△H=-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：
          $\frac{1}{3}$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；
Ⅲ．（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）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$\frac{5}{8}$倍，总物质的量=4×$\frac{5}{8}$=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；
（5）①燃料电池中燃料在负极发生氧化反应，甲烷失电子在熔融盐中生成二氧化碳气体，B极上的电极反应式为：CH₄-8e^-+40^2-=CO₂+2H₂O，
故答案为：CH₄-8e^-+40^2-=CO₂+2H₂O；
②若用该燃料电池做电源，用石墨做电极电解硫酸铜溶液，当阳极收集到11.2L（标准状况）气体位氧气，物质的量=$\frac{11.2L}{22.4L/mol}$=0.5mol，电极反应为4OH^--4e^-=2H₂O+O₂↑，结合单质守恒和电极反应得到 CH₄-8e^-+40^2-=CO₂+2H₂O，CH₄～8e^-～2O₂，则消耗甲烷物质的量0.25mol，标准状况下的体积=0.25mol×22.4L/mol=5.6L，故答案为：5.6；

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，思维量大，题目难度中等．