Question

【題目】研究和深度開發CO、CO2的應用對構建生態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） ΔH 1＝+489.0 kJ·mol－1

C（s） +CO2（g）＝2CO（g） ΔH 2 ＝+172.5 kJ·mol－1

則CO還原Fe2O3（s）的熱化學方程式為___________________________________。

（2）分離高爐煤氣得到的CO與空氣可設計成燃料電池（以KOH溶液為電解液）。寫出該電池的負極反應式：____________________。

（3）CO2和H2充入一定體積的密閉容器中，在兩種溫度下發生反應：CO2（g）+3H2（g）CH3OH（g）+H2O（g），測得CH3OH的物質的量隨時間的變化如圖。①曲線I、Ⅱ對應的平衡常數大小關系為KⅠ_____KⅡ（填“＞”或“＝”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物，一段時間后達到平衡。

容 器	甲	乙
反應物投入量	1molCO2、3molH2	a molCO2、b molH2、 c molCH3OH（g）、c molH2O（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相等，且起始時維持化學反應向逆反應方向進行，則c的取值范圍為________。

③一定溫度下，此反應在恒壓容器中進行，能判斷該反應達到化學平衡狀態的依據是_____。

a．容器中壓強不變 b．H2的體積分數不變 c．c（H2）＝3c（CH3OH）

d．容器中密度不變 e．2個C＝O斷裂的同時有3個H－H斷裂

（4）將燃煤廢氣中的CO2轉化為二甲醚的反應原理為：2CO2（g） + 6H2（g） CH3OCH3（g） + 3H2O（g）。已知一定條件下，該反應中CO2的平衡轉化率隨溫度、投料比[n(H2) / n(CO2)]的變化曲線如下圖。若溫度升高，則反應的平衡常數K將____（填“增大”、“減小”或“不變”。下同）；若溫度不變，提高投料比n(H2)/n(CO2)，則K將__________；該反應△H_________0（填“＞”、“＜”或“=”）。

Answer 1

【答案】Fe2O3(s)+3CO(g)=2Fe(s)+3CO2(g)；ΔH=-28.5 kJ·mol－1 CO-2e-+4OH-=CO32-+2H2O ＞ 1≥c>0.4 bd 減小 不變 <

【解析】

(1)根據蓋斯定律對已知的兩個熱化學方程式進行加合運算；

(2)分析CO燃燒反應方程式2CO+O2=2CO2，分析元素化合價變化確定負極原料及電子轉移數目，電解質顯強堿性，CO2、H+不能大量存在；

(3) ①一定溫度下，可逆反應達到平衡狀態時生成物濃度冪之積與反應物濃度冪之積的比值是一個常數，稱之為化學平衡常數，本題圖像是生成物CH3OH的物質的量與時間函數關系，“先拐先平”的原則，生成物濃度越大，則反應物濃度越小，平衡常數就越大。②因為“要使平衡后乙與甲中相同組分的體積分數相等”，所以甲、乙互為“等同平衡”，平衡時各組分物質的量分別對應相等，利用“三段式”確定甲、乙容器中平衡時CH3OH物質的量，若使起始時維持化學反應向逆反應方向進行，則CH3OH初始物質的量不能低于平衡時的CH3OH物質的量，另外，只有反應完全從生成物開始，c才能取最大值。③判斷化學平衡狀態的標志有兩條依據：一是根據正、逆反應速率相等；二是某一物理量不變時，“變量不變”。

(4) 根據平衡常數表達式分析反應物濃度與生成物濃度的相對變化即可解答。由圖像分析溫度影響平衡移動的方向，再根據勒夏特列原理分析該反應熱△H的正負。

(1)將已知的兩個熱化學方程式編號：①Fe2O3(s)+3C(s)＝2Fe(s)+3CO(g); ΔH1＝+489.0 kJ·mol－1，②C(s)+CO2(g)＝2CO(g);ΔH2＝+172.5kJ·mol－1。將①②×3得Fe2O3(s)+3CO(g)=2Fe(s)+3CO2(g)；ΔH=ΔH13ΔH2=489.0 kJ·mol－13×172.5 kJ·mol－1=-28.5 kJ·mol－1。所以CO還原Fe2O3(s)的熱化學方程式為Fe2O3(s)+3CO(g)=2Fe(s)+3CO2(g)；ΔH=-28.5 kJ·mol－1。

(2)該燃料電池總反應為2CO+O2=2CO2，CO在反應中失去電子，所以通入CO的一極是負極，因為電解質溶液是KOH，所以CO2轉化成CO32-，根據碳元素化合價由+2升高到+4，1molCO失去2mol電子，負極反應式為：CO-2e-+4OH-=CO32-+2H2O

(3)①圖像I、II曲線平行于時間軸對應的狀態是平衡狀態，平衡狀態時CH3OH物質的量曲線I比曲線II多，因容器體積一定，所以平衡時曲線I的生成物濃度比曲線II的生成物濃度高，根據平衡常數表達式，可知曲線I的平衡常數比曲線II要大，所以KⅠ＞KⅡ。

②利用“三段式”先求出甲容器平衡時各組分物質的量。設甲容器平衡時CH3OH的物質的量為x。

恒溫恒容下， ，則有，解得x=0.4mol。甲容器平衡時各組分物質的量分別為CO2為0.6mol、H2為1.8mol、CH3OH為0.4mol、H2O(g)為0.4mol。

因為“要使平衡后乙與甲中相同組分的體積分數相等”，甲、乙互為“等同平衡”，所以達到平衡時甲、乙容器中各組分物質的量分別對應相等。要使反應開始時逆向進行則有下列相關量：

若使起始時維持化學反應向逆反應方向進行，初始投入的CH3OH和H2O(g)的物質的量不能低于它們平衡時的物質的量，即c>0.4，

初始時全部由生成物投料c取最大值，即a、b為0， (c-0.4mol)=0.6mol，解得c=1，所以c的范圍是1≥c>0.4。

③a.因為反應在恒壓條件下進行，容器中壓強一直未變化，所以容器中壓強不變不能作為反應達到平衡狀態的依據，a項錯誤；

b.反應過程中H2的體積分數一直在變化，所以H2的體積分數不變能判斷該反應已達平衡狀態，b項正確；

c. c(H2)＝3c(CH3OH)，但反應過程中其數值可能在變也可能不變，所以c(H2)＝3c(CH3OH)不能判斷該反應已達平衡狀態，c項錯誤；

d.根據質量守恒可知反應混合物總質量[m(總)]不變，但反應過程中氣體的體積（V）一直在變化，根據密度可知容器中氣體密度一直在變化，所以容器中氣體密度不變可判斷該反應達到平衡狀態，d項正確；

e.CO2結構是O=C=O，H2的結構是H—H，單位時間內“2個C=O斷裂”是用CO2表示的正反應速率，單位時間內“3個H—H斷裂”是用H2表示的正反應速率，無法確定正、逆反應速率是否相等，所以2個C＝O斷裂的同時有3個H－H斷裂不能判斷該反應達到平衡狀態，e項錯誤；答案選bd。

(4)由圖像知在投料比不變時CO2的平衡轉化率隨溫度的升高而減小，即生成物濃度越來越小，反應物濃度越來越大，根據平衡常數表達式推知平衡常數值越來越小，所以升高溫度，反應的平衡常數K將減小。因為平衡常數只受溫度的影響，與濃度無關，所以溫度不變時，提高投料比，平衡常數K不變。由圖像知隨溫度升高CO2的平衡轉化率減小，即平衡向逆反應方向移動，根據勒夏特列原理，逆反應方向是吸熱反應，則正反應為放熱反應，即該反應△H<0。