Question

煤是一种重要的化工原料，人们将利用煤制取的水煤气、焦炭、甲醚等广泛用于工农业生产中．
（1）已知：
①C（s）+H₂O（g）═CO（g）+H₂（g）△H=+131.3kJ?mol^-1
②CO₂（g）+H₂（g）═CO（g）+H₂O（g）△H=+41.3kJ?mol^-1
则碳与水蒸气反应生成二氧化碳和氢气的热化学方程式为

 

． 该反应在

 

 （填“高温”、“低温”或“任何温度”）下有利于正向自发进行．
（2）有人利用炭还原法处理氮氧化物，发生反应C（s）+2NO（g）?N₂（g）+CO₂（g）．向某密闭容器中加入一定量的活性炭和NO，在T₁℃时，不同时间测得各物质的浓度如下表所示：

	0	10	20	30	40	50
NO	1.00	0.68	0.50	0.50	0.60	0.60
N2	0	0.16	0.25	0.25	0.30	0.30
CO2	0	0.16	0.25	0.25	0.30	0.30

①10～20min内，N₂的平均反应速率v（N₂）=

 

．
②30min后，只改变某一条件，反应重新达到平衡，根据上表中的数据判断改变的条件可能是

 

 （填字母序号）．
A．通入一定量的NO        
B．加入一定量的活性炭
C．加入合适的催化剂          
D．适当缩小容器的体积
（3）研究表明：反应CO（g）+H₂O（g）?H₂（g）+CO₂（g）平衡常数随温度的变化如下表所示：

温度/℃	400	500	800
平衡常数K	9.94	9	1

若反应在500℃时进行，设起始时CO和H₂O的浓度均为0.020mol?L^-1，在该条件下达到平衡时，CO的转化率为

 

．
（4）用CO做燃料电池电解CuSO₄溶液、FeCl₃和FeCl₂混合液的示意图如图1所示，其中A、B、D均为石j墨电极，C为铜电极．工作一段时间后，断开K，此时A、B两极上产生的气体体积相同．

①乙中A极产生的气体在标准状况下的体积为

 

．
②丙装置溶液中金属阳离子的物质的量与转移电子的物质的量变化关系如图2所示，则图中③线表示的是

 

（填离子符号）的变化；反应结束后，要使丙装置中金属阳离子恰好完全沉淀，需要

 

 mL 5.0mol?L^-1 NaOH溶液．

Answer 1

考点：热化学方程式,原电池和电解池的工作原理,化学平衡状态的判断

专题：基本概念与基本理论

分析：（1）根据盖斯定律来写出碳与水蒸气反应生成一氧化碳和氢气的热化学方程式；根据反应能否自发进行的判据来回答；
（2）反应前后是气体体积不变的反应，图表数据分析可知一氧化氮，氮气，二氧化碳浓度都增大，说明改变的条件是缩小体积增大浓度，或加入一氧化氮达到新平衡后个物质浓度增大；
（3）到达平衡时转化率最大，令平衡时CO的浓度变化量为cmol/L，根据三段式法用c表示出平衡时各组分个浓度，再利用平衡常数列方程，求出c，再利用转化率定义计算；
（4）①工作一段时间后，断开K，此时A、B两极上产生的气体体积相同，分析电极反应，B为阴极，溶液中铜离子析出，氢离子得到电子生成氢气；A电极为阳极，溶液中的氢氧根离子失电子生成氧气；阳极电极反应和电子守恒计算得到；
②C电极为阳极，D电极为阴极，根据丙图可知溶液中有三种金属阳离子，而根据丙的成分可知溶液中只有两种金属阳离子，说明在电解过程中还有Cu²⁺生成，因此C电极是Cu做阳极，D电极是石墨做阴极，根据转移电子的物质的量和金属阳离子的物质的量的变化确定曲线对应的离子，结合转移电子的物质的量计算．

解答： 解：（1）已知①C（s）+H₂O（g）═CO（g）+H₂（g）△H=+131.3kJ?mol^-1
②CO₂（g）+H₂（g）═CO（g）+H₂O（g）△H=+41.3kJ?mol^-1
根据盖斯定律，将①-②可得：C（g）+H₂O（g）═CO（g）+H₂（g）△H=+90kJ?mol^-1，反应的焓变△H＞0，△S＞0，根据反应自发进行的判据
△H-TS＜0，所以需要高温下发生，
故答案为：C（s）+2H₂O（g）=CO₂（g）+2H₂（g）△H=+90.0 kJ?mol^-1；高温；
（2）①10～20min内，N₂的平均反应速率v（N₂）=

0.25-0.16

20-10

mol/（L?min）=0.009 mol/（L?min），
故答案为：0.009 mol/（L?min）；
②30min后，只改变某一条件，反应重新达到平衡，图表数据分析可知一氧化氮，氮气，二氧化碳浓度都增大；
A．通入一定量的NO，反应正向进行，达到平衡后一氧化氮、氮气、二氧化碳浓度增大，故符合；
B．加入一定量的活性炭是固体，对平衡无影响，故不符合；
C．加入合适的催化剂，只能改变化学反应速率，不能改变平衡，浓度不变，故不符合；
D．适当缩小容器的体积，反应前后是气体体积不变的反应，平衡不动，但个物质浓度增大，符合要求，故符合；
故答案为：AD；
（3）设CO的浓度变化量为c，三段式法用c表示出平衡时各组分个浓度，
               CO（g）+H₂O（g）?H₂（g）+CO₂（g），
起始（mol/L）：0.02    0.020     0        0
转化（mol/L）：c       c         c        c
平衡（mol/L）：0.02-c  0.02-c    c        c
代入500℃时反应平衡常数有k=

c(H2)?c(CO2)

c(CO)?c(H2O)

=

c2

(0.02-c)2

=9，解得c=0.015，
CO的最大所以转化率为

0.015

0.02

×100%=75%，
故答案为：75%；
（4）①工作一段时间后，断开K，此时A、B两极上产生的气体体积相同，分析电极反应，B为阴极，溶液中铜离子析出，氢离子得到电子生成氢气，设生成气体物质的量为X，溶液中铜离子物质的量为0.1mol，电极反应为：
   Cu²⁺+2e^-=Cu，
0.1mol 0.2mol
2H⁺+2e^-=H₂↑，
 2x     x
A电极为阳极，溶液中的氢氧根离子失电子生成氧气，电极反应为：
4OH^--4e^-=2H₂O+O₂↑，
4x           x
得到0.2+2x=4x，
x=0.1mol
乙中A极析出的气体是氧气物质的量为0.1mol，在标准状况下的体积为2.24L，
故答案为：2.24L；
②根据转移电子的物质的量和金属阳离子的物质的量的变化，可知，铜离子从无增多，铁离子物质的量减小，亚铁离子增加，①为Fe³⁺，②为Fe²⁺，③为Cu²⁺，
依据（2）计算得到电子转移为0.2mol，当电子转移为0.2mol时，丙中阳极电极反应Cu-2e-=Cu²⁺，生成Cu²⁺物质的量为0.1mol，图象分析每个单位为0.05mol，阴极电极反应Fe³⁺+e^-=Fe²⁺，溶液中有Fe³⁺ 0.2mol，Fe²⁺ 0.3mol，Cu²⁺为0.1mol，所以需要加入NaOH溶液1.4mol，所以NaOH溶液等体积为

1.4mol

5mol/L

=0.28L=280mL，
故答案为：Cu²⁺；280．

点评：本题综合性较大，涉及化学反应自发性判断、化学平衡常数、化学平衡影响因素、等效平衡计算以及电化学知识等，难度较大．