Question

11．铁及碳的化合物在社会生产、生活中有着广泛的应用．请回答下列问题：
（1）磁铁矿是工业上冶炼铁的原料之一．
已知：①Fe₃O₄（s）+4C（s）?3Fe（s）+4CO（g）△H=+646.0kJ•mol^-1
②C（s）+CO₂（g）?2CO（g）△H=+172.5kJ•mol^-1
则Fe₃O₄（s）+4CO（g）?3Fe（s）+4CO₂（g）△H=-44.0kJ/mol．
（2）反应Fe（s）+CO₂（g）?FeO（s）+CO（g）△H的平衡常数为K，在不同温度下，K值如下：

温度/K	973	1173	1373	1573
K	1.47	2.15	3.36	8.92

①从表中数据可推断，该反应是吸热（填“放热”或“吸热”）反应．
②温度为973K时，在某恒容密闭容器中发生上述反应．下列有关说法能说明该反应已达到平衡状态的是BD（填字母）．
A．c（CO₂）=c（CO）                B．v_正（CO₂）=v_逆（CO）
C．体系压强不变                    D．混合气体中c（CO）不变
（3）如图图1、2表示反应：H₂（g）+CO₂（g）?CO（g）+H₂O（g）△H＞0有关量与反应时间之间的关系：

①图2中若t₁=0.5min，则0～t₁时间段内，H₂O的平均反应速率v（H₂O）=0.006mol•L^-1•s^-1．
②图1中t₂时刻改变的条件是加入催化剂或增大压强（任写两种，下同）；图2中t₂时刻改变的条件是降低温度或增大水蒸气浓度或减小氢气浓度．
（4）水煤气中的CO和H₂均可作为燃料电池的燃料．若在某燃料电池一极通入CO，另一极通入O₂和CO₂，熔融碳酸钠作为电解质，工作时负极反应式为CO+CO₃^2--2e^-=2CO₂；若使用该电池电解熔融Al₂O₃制取10.8g Al，则理论上需要氧气的体积为6.72L
（标准状况下）．

Answer 1

分析 （1）发生反应：Fe₃O₄+4CO=3Fe+4CO₂，根据盖斯定律书写目标热化学方程式；
（2）①升高温度平衡向吸热反应方向，根据平衡常数变化确定反应热；
②当可逆反应达到平衡状态时，正逆反应速率相等，各物质的物质的量、物质的量浓度及由此引起的一系列物理量不变；
（3）①图2中若t₁=0.5min，则0～t₁时间段内，CO的平均反应速率v（CO）=$\frac{（0.05-0.02）}{0.5}$=
0.06mol/（L．min）=0.001mol•L^-1•s^-1 ，同一化学反应中同一段时间内各物质的反应速率之比等于其计量数之比；
②图1中t₂时刻改变的条件是催化剂或压强；图2中t₂时刻改变的条件是降低温度或增大水蒸气浓度或减小氢气浓度；
（4）以CO为燃料制作燃料电池，负极上CO失去电子，电解熔融Al₂O₃，利用电子守恒计算．

解答 解：（1）已知：①Fe₃O₄（s）+4C（石墨）?3Fe（s）+4CO（g）△H=+646.0kJ/mol
②C（石墨）+CO₂（g）?2CO（g）△H=+172.5kJ/mol
根据盖斯定律，①-②×4可得Fe₃O₄（s）+4CO（g）=3Fe（s）+4CO₂（g），故△H=+646.0kJ/mol-4×（+172.5kJ/mol）=-44.0kJ/mol，故反应热化学方程式为：Fe₃O₄（s）+4CO（g）=3Fe（s）+4CO₂（g）△H=-44.0kJ/mol，
故答案为：-44.0kJ/mol；
（2）①升高温度平衡向吸热反应方向，根据表中数据知，升高温度平衡常数增大，平衡正向移动，则正反应是吸热反应，故答案为：吸热；
②当可逆反应达到平衡状态时，正逆反应速率相等，各物质的物质的量、物质的量浓度及由此引起的一系列物理量不变，
A．c（CO₂）=c（CO）时正逆反应速率不一定相等，反应不一定达到平衡平衡状态，故错误；              
B．v_正（CO₂）=v_逆（CO）=v_正（CO），正逆反应速率相等，反应达到平衡状态，故正确；
C．反应前后气体计量数之和不变，所以无论是否达到平衡状态，体系压强不变，不能据此判断平衡状态，故错误；                    
D．混合气体中c（CO）不变，正逆反应速率不变，反应达到平衡状态，故正确；
故选BD；
（3）①图2中若t₁=0.5min，则0～t₁时间段内，CO的平均反应速率v（CO）=$\frac{（0.05-0.02）}{0.5}$=
0.006mol•L^-1•s^-1 ，同一化学反应中同一段时间内各物质的反应速率之比等于其计量数之比，所以v（H₂O）=v（CO）=0.005mol•L^-1•s^-1，
故答案为：0.006mol•L^-1•s^-1；
②图1中t₂时刻改变的条件时正逆反应速率都增大且正逆反应速率相等，所以改变的条件是催化剂或压强；图2中t₂时刻改变的条件时，二氧化碳浓度增大、CO浓度降低，平衡逆向移动，改变的条件是降低温度或增大水蒸气浓度或减小氢气浓度，
故答案为：加入催化剂或增大压强；降低温度或增大水蒸气浓度或减小氢气浓度；
（4）以CO为燃料制作燃料电池，负极上CO失去电子，负极反应式为CO+CO₃^2--2e^-=2CO₂，电解熔融Al₂O₃，由电子守恒可知，4Al～12e^-～3O₂，理论上需要氧气的体积为$\frac{10.8g}{27g/mol}$×$\frac{3}{4}$×22.4L/mol=6.72L，
故答案为：CO+CO₃^2--2e^-=2CO₂；6.72．

点评 本题考查图象分析、盖斯定律、化学平衡计算、原电池原理等知识点，侧重考查学生分析计算能力，为高频考点，会根据图中v-t图象确定改变的条件，易错点是电极反应式的书写，题目难度中等．