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)ΔH1＝＋489.0kJ·mol－1，

Question

研究和深度开发 CO 、 CO ₂ 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： Fe ₂ O ₃ (s) ＋ 3C (s) ＝ 2Fe (s) ＋ 3CO(g)  Δ H ₁ ＝＋ 489.0 kJ· mol ^{－ 1} ，

C(s) ＋ CO ₂ (g) ＝ 2CO(g)   Δ H ₂ ＝＋ 172.5 kJ·mol ^{－ 1} ， 则 CO 还原 Fe ₂ O ₃ (s) 的热化学方程式为                                                         。

(2)CO 与 O ₂ 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                                              。

(3)CO ₂ 和 H ₂ 充入一定体积的恒容密闭容器中，在两种温度下发生反应： CO ₂ (g) ＋ 3H ₂ (g) CH ₃ OH(g) ＋ H ₂ O(g) 测得 CH ₃ OH 的物质的量随时间的变化如图 5 。                          

图 5

 

① 该反应的 Δ 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	1 mol CO 2 、 3 mol H 2	a molCO 2 、 3a molH 2 、 b molCH 3 OH(g) 、 b molH 2 O(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        。

(4) 利用光能和光催化剂，可将 CO ₂ 和 H ₂ O(g) 转化为 CH ₄ 和 O ₂ 。紫外光照射时，在不同催化剂 (I 、 II 、 III) 作用下， CH ₄ 产量随光照时间的变化如图 6 。在 0 ～ 15 小时内， CH ₄ 的平均生成速率 I 、 II 和 III 从小到大的顺序为           ( 填序号 ) 。

                

(5) 以 TiO ₂ ／Cu ₂ Al ₂ O ₄ 为催化剂 ， 可以将 CO ₂ 和 CH ₄ 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 7 。

① 当温度在        范围时，温度是乙酸生成速率的主要影响因素。

②Cu ₂ Al ₂ O ₄ 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                                                                    。

Answer 1

【答案】 (1) Fe ₂ O ₃ (s)+ 3CO(g) ＝ 2Fe(s)+ 3CO ₂ (g)  △ H  ＝－ 28.5 kJ·mol ^{－ 1}

（ 2 ） CO + 4OH ^－ ― 2e ^－ ＝  CO ₃ ^{2 －} + 2H ₂ O （ 3 ）①＞  <  ② 0.4 ＜ c≤1 （ 4 ） II ＞ III ＞ I

（ 5 ）① 300 ℃～ 400 ℃ ② 3Cu ₂ Al ₂ O ₄ +32H ⁺ +2NO ₃ ^－ ＝  6Cu ²⁺ + 6Al ³⁺ +2NO↑+16H ₂ O

【解析】 (1) 根据盖斯定律，热化学方程式①－② ×3 ，得出 Fe ₂ O ₃ (s)+ 3CO(g) ＝ 2Fe(s)+ 3CO ₂ (g)  △ H  ＝－ 28.5 kJ·mol ^{－ 1}

（ 2 ）负极失去电子， CO 为负极产生 CO ₃ ^{2 －} ，氧气为正极，负极为 CO + 4OH ^－ ― 2e ^－ ＝  CO ₃ ^{2 －} + 2H ₂ O

（ 3 ）①由图像判断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，正反应吸热；该反应的 Δ H >0 ， K _Ⅰ < K _Ⅱ ， ②平衡后物质的量为 4×0.8=3.2mol Δn=4 － 3.2=0.8mol   CO ₂ (g) +3H ₂ (g) CH ₃ OH(g) +H ₂ O(g) Δn=2

起始量 1        3

转化量 0.4     1.2        0.4      0.4     0.8

平衡量 0.6     1.8       0.4       0.4

该反应与原反应等效平衡，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 C>0.4 ， C 最高为 1 ，所以 C 的取值范围为 0.4 ＜ c≤1

(4) 由图Ⅱ可知， CH ₄ 的平均生成速率顺序为 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；② Cu ₂ Al ₂ O ₄ 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 3Cu ₂ Al ₂ O ₄ +32H ⁺ +2NO ₃ ^－ ＝  6Cu ²⁺ + 6Al ³⁺ +2NO↑+16H ₂ O 。