Question

5．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=-28.5 kJ•mol^-1．
（2）分离高炉煤气得到的CO与空气可设计成燃料电池（以KOH溶液为电解液）．写出该电池的负极反应式：CO+4OH^--2e^-=CO₃^2-+2H₂O．
（3）CO₂和H₂充人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见图1．
①曲线I、Ⅱ对应的平衡常数大小关系为K₁＞K₂（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 mol CO2、b mol H2、 c　mol CH3OH（g）、c　mol H2O（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＜n（c）≤1mol．
（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见图2．在0～15小时内，CH₄的平均生成速率I、Ⅱ和Ⅲ从大到小的顺序为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见图3．
①乙酸的生成速率主要取决于温度影响的范围是300℃～400℃．
②Cu₂Al₂O₄可溶于稀硝酸，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，由已知热化学方乘以适当的系数进行加减构造目标热化学方程式，反应热也乘以相应的系数并进行相应的加减，据此计算；
（2）CO燃料电池中，负极上是CO发生失电子的氧化反应，正极上是氧气发生得电子的还原反应，又因为电解质是KOH溶液，不会在电极上放出二氧化碳．
（3）①Ⅱ比Ⅰ的甲醇的物质的量少，根据K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）•c（{H}_{2}O）}{c（CO）•{c}^{3}（{H}_{2}）}$判断；
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．
（4）相同时间甲烷的物质的量的变化量越大，表明平均速率越大，相同时间甲烷的物质的量的变化量越小，平均反应速率越小．由图2可知反应开始后的15小时内，在第Ⅱ种催化剂的作用下，收集的CH₄最多，Ⅲ次之，Ⅰ最少．
（5）①根据温度对催化剂活性的影响可知在300℃时失去活性，故得出乙酸的生成速率主要取决于温度影响的范围；
②先将Cu₂Al₂O₄拆成氧化物的形式：Cu₂O•Al₂O₃，再根据氧化物与酸反应生成离子方程式，需要注意的是一价铜具有还原性．

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
依据盖斯定律①-②×3得到热化学方程式为：Fe₂O₃（s）+3CO（g）=2Fe（s）+3CO₂（g）△H=-28.5 kJ•mol^-1；
故答案为：Fe₂O₃（s）+3CO（g）=2Fe（s）+3CO₂（g）△H=-28.5 kJ•mol^-1；
（2）烷燃料电池以KOH溶液为电解质溶液时，负极上是CO发生失电子的氧化反应，又因为电解质是KOH溶液，二氧化碳和氢氧化钾反应得到的是碳酸钾，即CO+4OH^--2e^-=CO₃^2-+2H₂O，
故答案为：CO+4OH^--2e^-=CO₃^2-+2H₂O；
（3）①Ⅱ比Ⅰ的甲醇的物质的量少，则一氧化碳和氢气的物质的量越多，根据K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）•c（{H}_{2}O）}{c（CO）•{c}^{3}（{H}_{2}）}$知，平衡常数越小，故K_Ⅰ＞K_Ⅱ，
故答案为：＞；
②CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）
初始：1              3                0                  0
平衡：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）≤1mol；
（4）由图2可知，在0～15h内，甲烷的物质的量变化量为△n（Ⅰ）＜△n（Ⅲ）＜△n（Ⅱ），故在0～15h内，CH₄的平均生成速率v（Ⅱ）＞v（Ⅲ）＞v（Ⅰ），
故答案为：II＞III＞I；
（5）①温度超过250℃时，催化剂的催化效率降低，在300℃时失去活性，故以后乙酸的生成速率升高是由温度升高导致的，故乙酸主要取决于温度影响的范围为300℃～400℃，
故答案为：300℃～400℃；
②Cu₂Al₂O₄拆成氧化物的形式：Cu₂O•Al₂O₃，与酸反应生成离子方程式：3Cu₂Al₂O₄+32H⁺+2NO₃^-=6Cu²⁺+6Al³⁺+2NO↑+16H₂O，
故答案为：3Cu₂Al₂O₄+32H⁺+2NO₃^-=6Cu²⁺+6Al³⁺+2NO↑+16H₂O．

点评 本题主要考查了反应热的计算、化学反应常数、化学平衡以及原电池原理的运用，掌握盖斯定律的应用、原电池的反应原理、化学平衡相关计算是解答关键，题目难度中等．