Question

16．研究和深度开发CO、CO₂的应用对构建生态文明社会具有重要的意义．
（1）CO可用于炼铁，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，则CO还原Fe₂O₃（s）的热化学方程式为Fe₂O₃ （s）+3CO（g）=2Fe（s）+3CO₂ （g）△H=-28.5kJ•mol^-1．
（2）CO与O₂设计成燃料电池（以KOH溶液为电解液）．该电池的负极反应式为CO+4OH^--2e^-=CO₃^2-+2H₂O．
（3）CO₂和H₂充入一定体积的恒容密闭容器中，在两种温度下发生反应：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g） 测得CH₃OH的物质的量随时间的变化如图1．

①该反应的△H＞0（填“大于或小于”），曲线I、Ⅱ对应的平衡常数大小关系为K_Ⅰ＜K_Ⅱ（填“＞、=或＜”）．
②一定温度下，在容积相同且固定的两个密闭容器中，按如下方式加入反应物，一段时间后达到平衡．

容  器	甲	乙
反应物投入量	1mol CO2、3mol H2	a molCO2、3a molH2、 b molCH3OH（g）、b molH2O（g）

若甲中平衡后气体的压强为开始的0.8倍，要使平衡后乙与甲中相同组分的体积分数相等，且起始时维持化学反应向逆反应方向进行，则b的取值范围为0.4＜b≤1．
（4）利用光能和光催化剂，可将CO₂和H₂O（g）转化为CH₄和O₂．紫外光照射时，在不同催化剂（I、II、III）作用下，CH₄产量随光照时间的变化如图2．在0～15小时内，CH₄的平均生成速率I、II和III从小到大的顺序为II＞III＞I（填序号）．
（5）以TiO₂/Cu₂Al₂O₄为催化剂，可以将CO₂和CH₄直接转化成乙酸．在不同温度下催化剂的催化效率与乙酸的生成速率的关系如图3．
①当温度在300℃～400℃范围时，温度是乙酸生成速率的主要影响因素．
②Cu₂Al₂O₄可溶于稀硝酸，稀硝酸还原产物为NO，写出有关的离子方程式3Cu₂Al₂O₄+32H⁺+2NO₃^-=6Cu²⁺+6Al³⁺+2NO↑+16H₂O．

Answer 1

分析 （1）根据盖斯定律，热化学方程式①-②×3可得：Fe₂O₃ （s）+3CO（g）=2Fe（s）+3CO₂ （g），反应热也进行相应计算；
（2）负极发生氧化反应，正极发生还原反应，CO在负极通入，氧气在正极通入，CO在负极失去电子，碱性条件下生成CO₃^2-与水；
（3）①由图象判断Ⅱ温度高于I，但I甲醇物质的量多，温度高平衡正向移动，平衡常数大，正反应为吸热反应；
②甲中平衡后气体物质的量为4×0.8=3.2mol，气体物质的量变化△n=4-3.2=0.8mol
            CO₂（g）+3H₂（g）CH₃OH（g）+H₂O（g）△n=2
起始量（mol）：1      3
转化量（mol）：0.4      1.2             0.4      0.4      0.8
平衡量（mol）：0.6     1.8             0.4     0.4
乙中平衡与甲中为等效平衡，为全等等效，即等效转化为反应物量相等，若保持平衡逆向移动，则甲醇的物质的量大于甲中平衡时物质的量，若二氧化碳起始为0时，b的值最大；
（4）在0～15小时内，相同时间内甲烷的产量越大，说明反应速率越快；
（5）①从300℃开始，催化剂对反应基本没有影响，温度升高，生成乙酸速率增大；
②Cu₂Al₂O₄中铜为+1价，与硝酸反应被氧化为+2价，硝酸被还原为NO．

解答 解：（1）已知：①Fe₂O₃（s）+3C（s）═2Fe （s）+3CO（g）△H₁=+489.0kJ•mol^-1，
②C（s）+CO₂（g）═2CO（g）△H₂=+172.5kJ•mol^-1，
根据盖斯定律，热化学方程式①-②×3可得：Fe₂O₃ （s）+3CO（g）=2Fe（s）+3CO₂ （g）△H=-28.5kJ•mol^-1，
故答案为：Fe₂O₃ （s）+3CO（g）=2Fe（s）+3CO₂ （g）△H=-28.5kJ•mol^-1；
（2）负极发生氧化反应，正极发生还原反应，CO在负极通入，氧气在正极通入，CO在负极失去电子，碱性条件下生成CO₃^2-与水，负极电极反应式为：CO+4OH^--2e^-=CO₃^2-+2H₂O，
故答案为：CO+4OH^--2e^-=CO₃^2-+2H₂O；
（3）①由图象判断Ⅱ温度高于I，但I甲醇物质的量多，温度高平衡正向移动，平衡常数大，正反应为吸热反应，则该反应的△H＞0，K_Ⅰ＜K_Ⅱ，
故答案为：＞；＜；
②甲中平衡后气体物质的量为4×0.8=3.2mol，气体物质的量变化△n=4-3.2=0.8mol
             CO₂（g）+3H₂（g）CH₃OH（g）+H₂O（g）△n=2
起始量（mol）：1        3
转化量（mol）：0.4      1.2            0.4      0.4    0.8
平衡量（mol）：0.6      1.8            0.4      0.4
乙中平衡与甲中为等效平衡，为全等等效，即等效转化为反应物量相等，若保持平衡逆向移动，则甲醇的物质的量大于甲中平衡时物质的量，即b＞0.4，若二氧化碳起始为0时，b的值最大为1，故0.4＜b≤1，
故答案为：0.4＜b≤1；
（4）在0～15小时内，相同时间内甲烷的产量越大，说明反应速率越快，由图Ⅱ可知，CH₄的平均生成速率顺序为II＞III＞I，
故答案为：II＞III＞I；
（5）①从300℃开始，催化剂对反应基本没有影响，温度升高，生成乙酸速率增大，所以①当温度在300℃～400℃范围时，温度是乙酸生成速率的主要影响因素，
故答案为：300℃～400℃；
②Cu₂Al₂O₄中铜为+1价，与硝酸反应被氧化为+2价，硝酸被还原为NO，反应的离子方程式为：3Cu₂Al₂O₄+32H⁺+2NO₃^-=6Cu²⁺+6Al³⁺+2NO↑+16H₂O，
故答案为：3Cu₂Al₂O₄+32H⁺+2NO₃^-=6Cu²⁺+6Al³⁺+2NO↑+16H₂O．

点评 本题考查化学平衡计算与影响因素、盖斯定律应用、原电池原理、化学图象问题、氧化还原反应等，题目比较综合，是对学生综合能力的考查，难度中等．