Question

3．一氧化碳和二氧化硫是用途广泛的化工基础原料．
（1）已知：C（s）+O₂（g）=CO₂（g）△H₁=-393.5kJ•mol ^-1
C（s）+CO₂（g）=2CO（g）△H₂=+172.5kJ•mol ^-1
S（s）+O₂（g）=SO₂（g）△H₃=-296.0kJ•mol ^-1
已知某反应的平衡常数K=$\frac{[C{O}_{2}]^{2}}{[S{O}_{2}]•[CO]^{2}}$，据以上信息，请写出该反应的热化学反应方程式：SO₂（g）+2CO（g）?2CO₂（g）+S（s）△H=-270kJ•mol^-1．
（2）工业上用一氧化碳制取氢气的反应为：CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g），已知420℃时，该反应的化学平衡常数为9.0．如果反应开始时，在2L的密闭容器中充入CO和H₂O的物质的量都是0.60mol，5min末达到平衡，则此时CO的转化率为75%，H₂的化学反应速率为0.045mol•L^-1•min^-1．
（3）工业利用反应2SO₂（g）+O₂（g）?2SO₃（g）制硫酸，一定条件下，将1molSO₂与2molO₂置于恒容密闭容器中发生上述反应，下列能说明反应达到平衡状态的是ad
a．体系压强保持不变
b．混合气体密度保持不变
c．SO₂和O₂的物质的量之比保持不变
d．每消耗1mol SO₃的同时，生成0.5mol O₂
（4）图中A装置为熔融盐燃料电池的工作原理示意图．某课外活动小组用图所示装置通过电解生成Fe（OH）₃进行水的净化．

①已知该燃料电池负极的电极反应是CH₄+4CO₃^2--8e^-=5CO₂+2H₂O．
则正极的电极反应式是O₂+2CO₂+4e^-=2CO₃^2-．
电解池B阳极的电极反应式为Fe-2e^-=Fe²⁺．
②实验过程中，若在阴极产生了22.4L（标准状况）气体，则熔融盐燃料电池消耗CH₄5.6L（标准状况）．

Answer 1

分析 （1）已知某反应的平衡常数K=$\frac{[C{O}_{2}]^{2}}{[S{O}_{2}]•[CO]^{2}}$，则该反应的方程式为SO₂（g）+2CO（g）?2CO₂（g）+S（s），根据盖斯定律结合已知方程式计算反应热；
（2）根据所给反应的平衡常数，利用三段式法计算浓度变化值结合公式计算；
（3）学反应达到化学平衡状态时，正逆反应速率相等，且不等于0，各物质的浓度不再发生变化，由此衍生的一些物理量不发生变化，以此进行判断；
（4）①甲烷燃料电池中正极上氧气得电子；电解池中阳极上Fe失电子生成亚铁离子；
②该装置中一个闭合回路，各个电极流过的电量相等，根据电子守恒可计算甲烷的体积．

解答 解：（1）已知某反应的平衡常数K=$\frac{[C{O}_{2}]^{2}}{[S{O}_{2}]•[CO]^{2}}$，则该反应的方程式为SO₂（g）+2CO（g）?2CO₂（g）+S（s），
①C（s）+O₂（g）=CO₂（g）△H₁=-393.5kJ•mol ^-1
②C（s）+CO₂（g）=2CO（g）△H₂=+172.5kJ•mol ^-1
③S（s）+O₂（g）=SO₂（g）△H₃=-296.0kJ•mol ^-1，
由盖斯定律①-②-③可得SO₂（g）+2CO（g）?2CO₂（g）+S（s）△H=-270kJ•mol^-1；
故答案为：SO₂（g）+2CO（g）?2CO₂（g）+S（s）△H=-270kJ•mol^-1；
（2）设参加反应的CO的浓度为x
                              CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）
起始浓度（mol/L）0.30          0.30              0              0
转化浓度（mol/L） x              x                  x              x
转化浓度（mol/L）0.30-x    0.30-x               x               x
K=9.0=$\frac{[C{O}_{2}]•[{H}_{2}]}{[CO]•[{H}_{2}O]}$=$\frac{{x}^{2}}{（0.30-x）^{2}}$，x=0.225，所以CO的转化率α（CO）=$\frac{0.225}{0.30}$×100%=75%，氢气反应速率v（H₂）=$\frac{0.225mol/L}{5min}$=0.045mol/（L•min），
故答案为：75%；0.045mol/（L•min）；
（3）a．反应前后气体的体积不等，故容器总压强随时间改变，当压强不再随着时间变化时，即时达到化学平衡状态，故a正确；
b．总质量不变，体积不变，故混合气体的密度始终不变，所以不能作为判断是否达到化学平衡状态的依据，故b错误；
c．SO₂和O₂的物质的量之比，与起始的物质的量以及转化率有关，若起始的物质的量之比为2：1，则SO₂和O₂的物质的量之比始终不变，所以不能作为判断是否达到化学平衡状态的依据，故c错误；
d．每消耗1mol SO₃为逆速率，同时，生成0.5mol O₂为正速率，不同物质表示的正逆速率之比等于计量数之比即时平衡状态，故d正确；
故答案为：ad；
（4）①甲烷燃料电池中正极上氧气得电子，正极的电极反应为O₂+2CO₂+4e^-=2CO₃^2-；电解池中阳极上Fe失电子生成亚铁离子，则阳极上的电极反应为：Fe-2e^-=Fe²⁺；
故答案为：O₂+2CO₂+4e^-=2CO₃^2-；Fe-2e^-=Fe²⁺；
，故答案为：CH₄+4CO₃^2--8e^-=5CO₂↑+2H₂O；
②该装置中一个闭合回路，各个电极流过的电量相等，则有关系式CH₄～8e^-～4H₂，所以当阴极产生了22.4L（标准状况）氢气时，熔融盐燃料电池消耗标准状况下CH₄的体积为22.4L×$\frac{1}{4}$=5.6L，
故答案为：5.6．

点评 本题主要考查反应速率的计算、转化率的计算、影响化学反应速率、化学平衡的因素、盖斯定律、原电池、电解池等知识，难度中等，答题时注意化学原理的基础知识的灵活运用．