Question

5．研究CO、CO₂的应用具有重要的意义．
（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）CO₂和H₂充入一定体积的密闭容器中，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图：
①由如图判断该反应△H＜ 0，曲线 I、II对应的平衡常数K_I＞K_II
（填“＞”或“=”或“＜”）．
②一定温度下，在容积相同且固定的两个密闭容器中，按如表方式加入反应物，一段时间后达到平衡．

容  器	甲	乙
反应物投入量	1molCO2、3molH2	a molCO2、b molH2、 c molCH3OH（g）、c 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c的取值范围为0.4＜c≤1．
③一定温度下，此反应在恒容密闭容器中进行，能判断该反应达到化学平衡状态的依据是ab．
a．容器中压强不变                b．H₂的体积分数不变
c．c（H₂）=3c（CH₃OH）         d．容器中密度不变
e．2个C=O断裂的同时有3个C-H形成
（2）将燃煤废气中的CO转化为二甲醚的反应原理为：2CO（g）+4H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）．二甲醚与空气可设计成燃料电池，若电解质为碱性．写出该燃料电池的负极反应式CH₃OCH₃-12e^-+16OH^-═2CO₃^2-+11H₂O．根据化学反应原理，分析增加压强对制备二甲醚反应的影响该反应分子数减少，压强增加使平衡右移，CH₃OCH₃产率增加；压强增加使CO和H₂浓度增加，反应速率增大．

Answer 1

分析 （1）依据热化学方程式 和盖斯定律计算①-②×3得到，分析判断；
（2）①根据图象可知，线Ⅱ的反应速率大于线Ⅰ，所以线Ⅱ对应的温度高于线Ⅰ，而线Ⅱ对应的甲醇的物质的量小，也就是说温度高反应平衡逆向移动，据此判断反应的△H；根据温度对平衡移动的影响可知，升高温度，平衡向吸热方向移动，据此判断平衡常数的变化；
②根据平衡三部曲求出甲中平衡时各气体的物质的量，然后根据平衡后乙与甲中相同组分的体积分数相等，且起始时维持反应逆向进行来判断范围；
③达到反应平衡状态时，在一定条件下的可逆反应里，正反应速率和逆反应速率相等，反应混合物中各组成成分的百分含量保持不变，该反应就达到平衡状态，据此分析解答；
（3）二甲醚与空气可设计成燃料电池，若电解质为碱性，二甲醚在原电池负极失电子发生氧化反应生成碳酸盐，结合电荷守恒和原子守恒书写电极反应，2CO（g）+4H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）．反应前后气体体积减小，增加压强平衡正向进行；

解答 解：（1）①Fe₂O₃（s）+3C（石墨）=2Fe（s）+3CO（g）△H₁=+489.0kJmol^-1
②C（石墨）+CO₂（g）=2CO（g）△H₂=+172.5kJmol^-1
由盖斯定律①-②×3得到Fe₂O₃（s）+3CO（g）=2Fe（s）+3CO₂（g）△H=-28.5kJmol^-1，
故答案为：Fe₂O₃（s）+3CO（g）=2Fe（s）+3CO₂（g）△H=-28.5kJmol^-1；
（2）①根据图象可知，线Ⅱ的反应速率大于线Ⅰ，所以线Ⅱ对应的温度高于线Ⅰ，而线Ⅱ对应的甲醇的物质的量小，也就是说温度高反应平衡逆向移动，据此判断反应的△H＜0，根据温度对平衡移动的影响可知，升高温度，平衡向吸热方向移动，而该反应为放热反应，所以升高温度平衡逆向移动，平衡常数变小，即K_Ⅰ＞K_Ⅱ，
故答案为：＜；＞；
 ②设二氧化碳反应量为x
             CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）
初始量（mol）：1        3           0          0
转化量（mol）：x        3x          x          x
平衡量（mol）：1-x       3-3x        x          x
甲中平衡后气体的压强为开始时的0.8倍，即（4-2x）/4=0.8
解得x=0.4mol
依题意：甲、乙为等同平衡，且起始时维持反应逆向进行，所以全部由生成物投料，c的物质的量为1mol，c 的物质的量不能低于平衡时的物质的量0.4mol，所以c的物质的量为：0.4＜n（c）≤1mol，故答案为：0.4＜n（c）≤1； 
③CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）；
a．反应前后气体物质的量变化，当容器中压强不变，说明反应达到平衡状态，故a正确；               
b．H₂的体积分数不变是平衡标志，故b正确；
c．速率之比等于化学方程式计量数之比为正反应速率之比，c（H₂）=3c（CH₃OH），不能说明正逆反应速率相同，不能证明反应达到平衡状态，故c错误；
d．反应前后气体质量不变，体积不变，容器中密度始终不变，不能说明反应达到平衡状态，故d错误；
e．2个C=O断裂的同时有3个C-H形成只能说明反应正向进行，不能说明反应达到平衡状态，故d错误；
故答案为：a b；
（3）二甲醚与空气可设计成燃料电池，若电解质为碱性，二甲醚在原电池负极失电子发生氧化反应生成碳酸盐，结合电荷守恒和原子守恒书写电极反应为：CH₃OCH₃-12 e^-+16OH^-═2CO₃^2-+11 H₂O，反应（g）+4H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）．反应前后气体体积减小，增加压强平衡正向进行，该反应分子数减少，压强增加使平衡右移，CH₃OCH₃产率增加；压强增加使CO和H₂浓度增加，反应速率增大．
故答案为：CH₃OCH₃-12 e^-+16OH^-═2CO₃^2-+11 H₂O；该反应分子数减少，压强增加使平衡右移，CH₃OCH₃产率增加；压强增加使CO和H₂浓度增加，反应速率增大．

点评 本题主要考查了热化学方程式的书写、电极反应的书写、化学平衡的判断和计算及氧化还原反应方程式的书写，综合性较强，题目难度中等．