Question

【題目】工業(yè)燃燒煤、石油等化石燃料釋放出大量氮氧化物(NOx)、CO2、SO2等氣體，嚴重污染空氣。對廢氣進行脫硝、脫碳和脫硫處理可實現(xiàn)綠色環(huán)保、廢物利用。

Ⅰ﹒脫硝：

已知：H2的燃燒熱為285.8kJ·mol—1

N2(g)+2O2(g)＝2NO2(g) ΔH＝+133kJ·mol—1

H2O(g)＝H2O(l) ΔH＝—44kJ·mol—1

催化劑存在下，H2還原NO2生成水蒸氣和其他無毒物質(zhì)的熱化學方程式為： ；

Ⅱ﹒脫碳：

向2L密閉容器中加入2molCO2和6molH2，在適當?shù)拇呋瘎┳饔孟掳l(fā)生反應(yīng)：

CO2(g)+3H2(g)CH3OH(l)+H2O(l) ΔH﹤0

⑴①該反應(yīng)自發(fā)進行的條件是 （填“低溫”、“高溫”或“任意溫度”）

②下列敘述能說明此反應(yīng)達到平衡狀態(tài)的是 （填字母）

A﹒混合氣體的平均相對分子質(zhì)量保持不變

B﹒CO2和H2的體積分數(shù)保持不變

C﹒CO2和H2的轉(zhuǎn)化率相等

D﹒混合氣體的密度保持不變

E﹒1molCO2生成的同時有3molH—H鍵斷裂

③CO2的濃度隨時間（0～t2）變化如圖所示，在t2時將容器容積縮小一倍，t3時達到平衡，t4時降低溫度，t5時達到平衡，請畫出t2～t6CO2濃度隨時間的變化曲線。

⑵改變溫度，使反應(yīng)CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g) ΔH﹤0中的所有物質(zhì)都為氣態(tài)。起始溫度、體積相同（T1℃、2L密閉容器）。反應(yīng)過程中部分數(shù)據(jù)見下表：

反應(yīng)條件	反應(yīng)時間	CO2(mol)	H2(mol)	CH3OH(mol)	H2O(mol)
反應(yīng)Ⅰ：恒溫恒容	0min	2	6	0	0
	10min		4.5
	20min	1
	30min			1
反應(yīng)Ⅱ：絕熱恒容	0min	0	0	2	2

①達到平衡時，反應(yīng)Ⅰ、Ⅱ對比：平衡常數(shù)K(Ⅰ) K(Ⅱ)（填“﹥”“﹤”或“＝”）

②對反應(yīng)Ⅰ，前10min內(nèi)的平均反應(yīng)速率v(CH3OH)＝ 。在其他條件不變的情況下，若30min時只向容器中再充入1molCO2(g)和1molH2O(g)，則平衡 移動(填“正向”“逆向”或“不”)。

⑶利用CO與H2可直接合成甲醇，下圖是由“甲醇—空氣”形成的綠色燃料電池的工作原理

示意圖，寫出以石墨為電極的電池工作時負極的電極反應(yīng)式

Answer 1

【答案】（15分）

Ⅰ﹒4H2(g)+2NO2(g)＝N2(g)+4H2O(g) ΔH＝—1100.2kJ·mol—1（2分）

Ⅱ﹒⑴①低溫（1分） ②DE（2分）

③

⑵①﹤（2分）②0.025mol·L—1·min—1（2分）不（2分）

⑶CH3OH—6e—+H2O＝CO2+6H+（2分）

【解析】

試題分析：Ⅰ。根據(jù)氫氣的熱值可書寫氫氣的熱化學方程式是2H2(g)+ O2（g）＝H2O（l) △H＝-142.9×4kJ/mol=-571.6kJ/mol，根據(jù)蓋斯定律，將已知熱化學方程式中的氧氣與液態(tài)水消去得到H2還原NO2生成水蒸氣和氮氣的熱化學方程式，為4H2（g）+2NO2（g）＝N2（g）+4H2O（g）△H＝-1100.2kJ·mol-1； II、（1）①該反應(yīng)的△S<0，所以若反應(yīng)自發(fā)進行，則△H<0，因此反應(yīng)自發(fā)進行的條件是低溫自發(fā)；② a、該體系中的氣體只有二氧化碳和氫氣，且二者的起始物質(zhì)的量之比等于化學方程式中的化學計量數(shù)之比，所以混合氣體的平均式量始終不變，不能判斷為平衡狀態(tài)，錯誤；b、二氧化碳與氫氣始終是1：3的關(guān)系，所以CO2和H2的體積分數(shù)保持不變的狀態(tài)不是平衡狀態(tài)，錯誤；c、二氧化碳與氫氣的起始物質(zhì)的量之比等于化學方程式中的化學計量數(shù)之比，所以二者的轉(zhuǎn)化率一定相等，與是否達到平衡狀態(tài)無關(guān)，錯誤；d 、因為該體系中有液體參加，所以氣體的質(zhì)量在逐漸減少，則氣體的密度減小，達平衡時，保持不變，正確；e、1mol CO2生成的同時有3mol H-H鍵斷裂，符合正逆反應(yīng)速率相等，是平衡狀態(tài)，答案選de；③在t2時將容器容積縮小一倍，二氧化碳的濃度瞬間增大到1mol/L，則壓強增大，平衡正向移動， t3時達到平衡，達到的平衡與原平衡相同，濃度仍是0.5mol/L；該反應(yīng)是放熱反應(yīng)，t4時降低溫度，則平衡正向移動，t5時達到平衡，則二氧化碳的濃度將小于0.5mol/L，對應(yīng)的圖像見答案。（2）①因為生成甲醇的反應(yīng)是放熱反應(yīng)，而反應(yīng)II是從逆反應(yīng)開始的，所以反應(yīng)吸熱，所以絕熱容器的溫度要低于恒溫容器，即反應(yīng)I溫度高于反應(yīng)II，溫度升高，放熱反應(yīng)的平衡常數(shù)減小，則K(I)<K(II)；二者都是恒容條件，若是恒溫恒容，二者達到的平衡是等效平衡，甲醇的濃度相同，而反應(yīng)I溫度高于反應(yīng)II，所以反應(yīng)II需再降低溫度，而溫度降低，平衡正向移動，則甲醇的濃度增大，平衡時CH3OH的濃度c(I)<c(II)；②對反應(yīng)I，前10min內(nèi)氫氣的物質(zhì)的量減少6-4.5=1.5mol，則甲醇的物質(zhì)的量增加0.5mol，所以前10min內(nèi)平均反應(yīng)速率v(CH3OH)＝0.5mol/2L/10min="0.025mol" ·L-1·min-1； 30min時是平衡狀態(tài)，生成甲醇1mol，則消耗氫氣3mol，平衡氫氣的物質(zhì)的量是3mol，而改變溫度后氫氣的物質(zhì)的量變?yōu)?.2mol，物質(zhì)的量增大，說明平衡逆向移動，因為該反應(yīng)是放熱反應(yīng)，所以升高溫度，平衡逆向移動，則T1<T2；若30min時只向容器中再充入1 mol CO2(g)和1 mol H2O(g)，根據(jù)表中數(shù)據(jù)計算該溫度下的平衡常數(shù)為K=1/6.75，此時Qc=1/6.75=K，所以平衡不移動。（3）甲醇在酸性條件下，負極發(fā)生氧化反應(yīng)，CH3OH—6e—+H2O＝CO2+6H+；