Question

8．研究和深度開發(fā)CO、CO₂的應(yīng)用對構(gòu)建生態(tài)文明社會具有重要的意義．

（1）CO可用于煉鐵，已知：Fe₂O₃（s）+3C（s）═2Fe（s）+3CO（g）△H₁=+489.0kJ•mol^-1，C（s）+CO₂（g）═2CO（g）△H₂=+172.5kJ•mol^-1，則CO還原Fe₂O₃（s）的熱化學(xué)方程式為Fe₂O₃（s）+3CO（g）=2Fe（s）+3CO₂（g）△H=-28.5kJ•mol^-1．
（2）CO與O₂設(shè)計成燃料電池（以KOH溶液為電解液）．該電池的負極反應(yīng)式為CO+4OH^--2e^-=CO₃^2-+2H₂O．
（3）CO₂和H₂充入一定體積的恒容密閉容器中，在兩種溫度下發(fā)生反應(yīng)：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g），測得CH₃OH的物質(zhì)的量隨時間的變化如圖1．
①該反應(yīng)的△H小于0（填“大于或小于”），曲線I、Ⅱ?qū)��?yīng)的平衡常數(shù)大小關(guān)系為K_Ⅰ＞K_Ⅱ（填“＞、=或＜”）．
②一定溫度下，在容積相同且固定的兩個密閉容器中，按如下方式加入反應(yīng)物，一段時間后達到平衡．

容　　器	甲	乙
反應(yīng)物投入量	1mol CO2、3mol H2	a　mol CO2、3a　mol H2、 b　mol CH3OH（g）、b　mol H2O（g）

若甲中平衡后氣體的壓強為開始的0.8倍，要使平衡后乙與甲中相同組分的體積分數(shù)相等，且起始時維持化學(xué)反應(yīng)向逆反應(yīng)方向進行，則b的取值范圍為0.4＜b≤1．
（4）利用光能和光催化劑，可將CO₂和H₂O（g）轉(zhuǎn)化為CH₄和O₂．紫外光照射時，在不同催化劑（I、Ⅱ、Ⅲ）作用下，CH₄產(chǎn)量隨光照時間的變化見圖2，在0～15小時內(nèi)，CH₄的平均生成速率I、Ⅱ和Ⅲ從大到小的順序為Ⅱ＞Ⅲ＞Ⅰ（填序號）．
（5）以TiO₂/Cu₂Al₂O₄為催化劑，可以將CO₂和CH₄直接轉(zhuǎn)化成乙酸，在不同溫度下催化劑的催化效率與乙酸的生成速率的關(guān)系如圖3．
①當溫度在300℃～400℃范圍時，溫度是乙酸生成速率的主要影響因素；
②Cu₂Al₂O₄可溶于稀硝酸，稀硝酸還原產(chǎn)物為NO，寫出有關(guān)的離子方程式3Cu₂Al₂O₄+32H⁺+2NO₃^-=6Cu²⁺+6Al³⁺+2NO↑+16H₂O．

Answer 1

分析 （1）依據(jù)熱化學(xué)方程式和蓋斯定律計算得到所需熱化學(xué)方程式，①-②×3得到；
（2）CO-O₂燃料電池（以KOH溶液為電解液），依據(jù)原電池原理，負極失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，燃料在負極失電子發(fā)生氧化反應(yīng)；
（3）①根據(jù)圖象可知，線Ⅱ的反應(yīng)速率大于線Ⅰ，所以線Ⅱ?qū)��?yīng)的溫度高于線Ⅰ，而線Ⅱ?qū)��?yīng)的甲醇的物質(zhì)的量小，也就是說溫度高反應(yīng)平衡逆向移動，據(jù)此判斷反應(yīng)的△H，根據(jù)溫度對平衡移動的影響可知，升高溫度，平衡向吸熱方向移動，據(jù)此判斷平衡常數(shù)的變化；
②利用三段式，根據(jù)等效平衡的思想可答題設(shè)平衡時二氧化碳轉(zhuǎn)化了xmol，
  　　　　   CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g），
開始1（mol）：1  　　  3         0      　　     0
變化1（mol）：x        3x        x                x
平衡1（mol）：1-x      3-3x      x                x
開始2　　　   a         3a        b               b；
（4）相同時間甲烷的物質(zhì)的量的變化量越大，表明平均速率越大，相同時間甲烷的物質(zhì)的量的變化量越小，平均反應(yīng)速率越�。�由圖2可知反應(yīng)開始后的15小時內(nèi)，在第Ⅱ種催化劑的作用下，收集的CH₄最多，Ⅲ次之，Ⅰ最少；
（5）根據(jù)圖象3可知，當溫度300℃～400℃時，線的斜率變化較大，也就是溫度對化學(xué)反應(yīng)速率的影響較大；
②先將Cu₂Al₂O₄拆成氧化物的形式：Cu₂O•Al₂O₃，再根據(jù)氧化物與酸反應(yīng)生成離子方程式，需要注意的是一價銅具有還原性．

解答 解：（1）①Fe₂O₃（s）+3C（石墨）=2Fe（s）+3CO（g）△H₁=+489.0kJ•mol^-1
②C（石墨）+CO₂（g）=2CO（g）△H₂=+172.5kJ•mol^-1
依據(jù)蓋斯定律①-②×3得到熱化學(xué)方程式為：Fe₂O₃（s）+3CO（g）=2Fe（s）+3CO₂（g）△H=-28.5 kJ•mol^-1；
故答案為：Fe₂O₃（s）+3CO（g）=2Fe（s）+3CO₂（g）△H=-28.5 kJ•mol^-1；
（2）CO-O₂燃料電池（以KOH溶液為電解液），一氧化碳在負極失電子發(fā)生氧化反應(yīng)生成二氧化碳在溶液中生成碳酸鉀，原電池負極電極反應(yīng)為：CO+4OH^--2e^-=CO₃^2-+2H₂O，故答案為：CO+4OH^--2e^-=CO₃^2-+2H₂O；
（3）①根據(jù)圖象可知，線Ⅱ的反應(yīng)速率大于線Ⅰ，所以線Ⅱ?qū)��?yīng)的溫度高于線Ⅰ，而線Ⅱ?qū)��?yīng)的甲醇的物質(zhì)的量小，也就是說溫度高反應(yīng)平衡逆向移動，據(jù)此判斷反應(yīng)的△H＜0，根據(jù)溫度對平衡移動的影響可知，升高溫度，平衡向吸熱方向移動，而該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，所以升高溫度平衡逆向移動，平衡常數(shù)變小，即K_Ⅰ＞K_Ⅱ，
故答案為：小于；＞；
②設(shè)平衡時二氧化碳轉(zhuǎn)化了xmol，
  　　　　　　CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g），
開始1（mol）：1  　　  3         0      　　     0
變化1（mol）：x        3x        x               x
平衡1（mol）：1-x      3-3x      x               x
開始2　　　  a        3a        b                 b
則由題意可知：$\frac{x+x+1-x+3-3x}{1+3}$=0.8，解得x=0.4，
根據(jù)恒溫恒容條件下的等效平衡的思想則有開始1和開始2為完全等效，即a+b=1，要使反應(yīng)始終向逆向進行，則b＞x，故a的范圍為小于等于1大于0.4，
故答案為：0.4＜b≤1；
（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Ⅱ＞Ⅲ＞Ⅰ
故答案為：Ⅱ＞Ⅲ＞Ⅰ；
（5）①根據(jù)圖象3可知，當溫度大于300℃時，線的斜率變化較大，也就是溫度對化學(xué)反應(yīng)速率的影響較大，故答案為：300℃～400℃；
②Cu₂Al₂O₄拆成氧化物的形式：Cu₂O•Al₂O₃，與酸反應(yīng)生成離子方程式：3Cu₂Al₂O₄+32H⁺+2NO₃^-=6Cu²⁺+6Al³⁺+2NO↑+16H₂O，
故答案為：3Cu₂Al₂O₄+32H⁺+2NO₃^-=6Cu²⁺+6Al³⁺+2NO↑+16H₂O．

點評 本題考查較為綜合，涉及化學(xué)反應(yīng)常數(shù)、化學(xué)平衡以及原電池原理的運用，為高考常見題型和高頻考點，側(cè)重于學(xué)生的分析、計算能力的考查，難度中等．