Question

【題目】研究和深度開發CO、CO2的應用對建生態文明社會具有重要的意義。

（1）CO可用于煉鐵，已知：

Fe2O3(s)+3C(s)=2Fe(s)+3CO(g) ΔH1=+489.0kJmol-1，

C(s)+CO2(g)=2CO(g) △H2=+172.5kJmol-1

則CO還原Fe2O3(s)的熱化學方程式為____________________。

（2）分離高爐煤氣得到的CO與空氣可設計成燃料電池（以KOH溶液為電解液）。寫出該電池的負極反應式：__________________。

（3）CO2和H2充入一定體積的密閉容器中，在兩種溫度下發生反應：CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)，測得CH3OH的物質的量隨時間的變化見圖1。

①線Ⅰ、Ⅱ對應的平衡常數大小關系為KI______KⅡ（填“＞”或“=”或“＜”）。

②一定溫度下，在容積相同且固定的兩個密閉容器中，按如下方式加入反應物，一段時間后達到平衡。

容器	甲	乙
反應物投入量	1mol CO2、3mol H2	a mol CO2、b mol H2、 c mol CH3OH(g)、c molH2O(g)

若甲中平衡后氣體的壓強為開始的0.8倍，要平衡后乙與甲中相同組分的體積分數相等，且起始時維持化學反應向逆反應方向進行，則c的取值范圍為____________。

（4）利用光能和光催化劑，可將CO2和H2(g)轉化為CH4和O2，紫外光照射時，在不同催化劑（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）作用下，CH4產量隨光照時間的變化見圖2。在0~15小時內，CH4的平均生成速率I、Ⅱ和Ⅲ從大到小的順序為_____________（填序號）

（5）一種甲醇燃料電池，使用的電解質溶液是2mol·L-1的KOH溶液。

請寫出加入（通入）b物質一極的電極反應式________________；每消耗6.4g甲醇轉移的電子數為_______________。

（6）一定條件下甲醇與一氧化碳反應可以合成乙酸。通常狀況下，將amol/L的醋酸與bmol/LBa(OH)2溶液等體積混合后，溶液中:2c(Ba2+)=c(CH3COO-)，用含a和b的代數式表示該混合溶液中醋酸的電離常數Ka為__________________。

Answer 1

【答案】 Fe2O3(s)+3CO(g)2Fe(s)+3CO2(g) ΔH= -28.5kJ·mol-1 CO+4OH--2e-=CO32-+2H2O ＞ 0.4<n(c)≤1mol Ⅱ>Ⅲ>I O2+4e-+2H2O=4OH- 1.2NA或1.2mol

【解析】(1)根據蓋斯定律，由已知熱化學方乘以適當的系數進行加減構造目標熱化學方程式，反應熱也乘以相應的系數并進行相應的加減，據此計算；

(2)CO燃料電池中，負極上是CO發生失電子的氧化反應，正極上是氧氣發生得電子的還原反應，據此書寫電極反應式；

(3)①Ⅱ比Ⅰ的甲醇的物質的量少，根據K=分析判斷；②根據平衡三部曲求出甲中平衡時各氣體的物質的量，然后根據平衡后乙與甲中相同組分的體積分數相等，且起始時維持反應逆向進行來判斷范圍；

(4)相同時間甲烷的物質的量的變化量越大，表明平均速率越大，相同時間甲烷的物質的量的變化量越小，平均反應速率越小，據此分析解答；

(5)根據電子移動的分析判斷出正負極，負極上甲醇失去電子發生氧化反應，正極上氧氣得到電子發生還原反應；根據電子與甲醇的物質的量關系計算；

(6)通常狀況下，將a mol/L的醋酸與b mol/L Ba(OH)2溶液等體積混合，溶液中溶質為醋酸鋇和氫氧化鋇，反應平衡時，2c(Ba2+)=c(CH3COO-)=bmol/L，溶液中c(H+)=c(OH-)=10-7mol/L，溶液呈中性，根據醋酸電離平衡常數K=計算。

(1)①Fe2O3(s)+3C(石墨)=2Fe(s)+3CO(g)△H1=+489.0kJ/mol；②C(石墨)+CO2(g)=2CO(g)△H2=+172.5kJ/mol；由①-②×3，得到熱化學方程式：Fe2O3(s)+3CO(g)=2Fe(s)+3CO2(g)△H=-28.5kJ/mol，故答案為：Fe2O3(s)+3CO(g)=2Fe(s)+3CO2(g)△H=-28.5kJ/mol；

(2)CO燃料電池中，負極上是CO發生失電子的氧化反應，電極反應式為：CO+4OH--2e-=CO32-+2H2O，正極上是氧氣發生得電子的還原反應，電極反應式為：O2+4e-+2H2O=4OH-，故答案為：CO+4OH--2e-=CO32-+2H2O；

(3)①平衡時，Ⅱ比Ⅰ的甲醇的物質的量少，則二氧化碳和氫氣的物質的量越多，根據K=知，平衡常數越小，故KⅠ＞KⅡ，故答案為：＞；

② CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)

初始(mol) 1 3 0 0

平衡(mol) 1-x 3-3x x x

甲中平衡后氣體的壓強為開始時的0.8倍，即=0.8，解得x=0.4mol，依題意：甲、乙為等同平衡，且起始時維持反應逆向進行，所以全部由生成物投料，c的物質的量為1mol，c 的物質的量不能低于平衡時的物質的量0.4mol，所以c的物質的量為：0.4＜n(c)≤1mol，故答案為：0.4＜n(c)≤1mol；

(4)由圖2可知，在0～15h內，甲烷的物質的量變化量為△n(Ⅰ)＜△n(Ⅲ)＜△n(Ⅱ)，故在0～15h內，CH4的平均生成速率v(Ⅱ)＞v(Ⅲ)＞v(Ⅰ)；故答案為：II＞III＞I；

(5)根據圖示可知，電子由a電極經導線流向b電極，因此a為負極，b為正極，該電池負極是甲醇失電子生成碳酸鉀，正極上是空氣中的氧氣得到電子生成氫氧根離子，電極反應式為O2+4e-+2H2O=4OH-；每消耗6.4g 甲醇的物質的量==0.2mol，反應中甲醇中的碳元素由-2價變成+4價，轉移電子的物質的量為1.2mol，故答案為：O2+4e-+2H2O=4OH-；1.2mol或1.2NA；

(6)通常狀況下，將a mol/L的醋酸與b mol/L Ba(OH)2溶液等體積混合，溶液中溶質為醋酸鋇和氫氧化鋇，反應平衡時，2c(Ba2+)=c(CH3COO-)=bmol/L，溶液中c(H+)=c(OH-)=10-7mol/L，溶液呈中性，醋酸電離平衡常數K===，故答案為：。