Question

7．乙醇汽油是被廣泛使用的新型清潔燃料，工業(yè)生產(chǎn)乙醇的一種反應(yīng)原理為：
2CO（g）+4H₂ （g）═CH₃CH₂OH（g）+H₂O（g）△H=256.1kJ•mol^-1
CO（g）+H₂O（g）═CO₂（g）+H₂（g）△H=41.2kJ•mol^-1
已知：H₂O（l）═H₂O（g）△H=+44kJ•mol^-1
（1）以CO₂（g）與H₂（g）為原料也可合成乙醇，其熱化學(xué)方程式如下：
2CO₂（g）+6H₂（g）═CH₃CH₂OH（g）+3H₂O（l）△H=-305.7kJ•mol^-1．
（2）CH₄和H₂O（g）在催化劑表面發(fā)生反應(yīng)CH₄+H₂OCO+3H₂，該反應(yīng)在不同溫度下的化學(xué)平衡常數(shù)如下表：

溫度/℃	800	1000	1200	1400
平衡常數(shù)	0.45	1.92	276.5	1771.5

①該反應(yīng)是吸熱反應(yīng)（填“吸熱”或“放熱”）；
②T℃時，向1L密閉容器中投入1molCH₄和1mol H₂O（g），平衡時c（CH₄）=0.5mol•L^-1，該溫度下反應(yīng)CH₄+H₂═OCO+3H₂的平衡常數(shù)K=6.75．
（3）汽車使用乙醇汽油并不能減少NO_x的排放，這使NO_x的有效消除成為環(huán)保領(lǐng)域的重要課題．某研究小組在實驗室以Ag-ZSM-5 為催化劑，測得NO轉(zhuǎn)化為N₂的轉(zhuǎn)化率隨溫度變化情況如圖
①若不使用CO，溫度超過775℃，發(fā)現(xiàn)NO的分解率降低，其可能的原因為該反應(yīng)是放熱反應(yīng)，升高溫度反應(yīng)更有利于向逆反應(yīng)方向進行；在$\frac{n（NO）}{n（CO）}$=1的條件下，應(yīng)控制的最佳溫度在870℃左右．
②用C_xH_y（烴）催化還原NO_x也可消除氮氧化物的污染．寫出CH₄與NO₂發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式：CH₄+2NO₂=CO₂+N₂+2H₂O．
（4）乙醇-空氣燃料電池中使用的電解質(zhì)是攙雜了Y₂O₃的ZrO₂晶體，它在高溫下能傳導(dǎo)O^2-離子．該電池負(fù)極的電極反應(yīng)式為CH₃CH₂OH-12e^-+6O^2-=2CO₂+3H₂O．

Answer 1

分析 （1）根據(jù)蓋斯定律來解答：一個反應(yīng)不論是一步完成的還是幾步完成的，其熱效應(yīng)總是相同的（反應(yīng)熱的總值相等）；
（2）①圖表數(shù)據(jù)分析平衡常數(shù)隨溫度升高增大，說明升溫平衡正向進行，正反應(yīng)為吸熱反應(yīng)；
②T℃時，向1L密閉容器中投入1molCH₄和1mol H₂O（g），平衡時c（CH₄）=0.5mol•L^-1，
                 CH₄+H₂O=CO+3H₂，
起始量（mol/L）  1    1    0    0
變化量（mol/L） 0.5  0.5  0.5  1.5
平衡量（mol/L） 0.5   0.5   0.5  1.5
平衡常數(shù)=等于生成物平衡濃度冪次方乘積除以反應(yīng)物平衡濃度冪次方乘積；
（3）①升高溫度，發(fā)現(xiàn)NO的分解率降低，說明反應(yīng)向逆反應(yīng)方向進行，該反應(yīng)放熱；
②CH₄與NO₂發(fā)生反應(yīng)生成二氧化碳、氮氣和水；
（4）乙醇在燃料電池的負(fù)極失去12個電子，發(fā)生氧化反應(yīng)生成二氧化碳，用傳導(dǎo)離子O^2-離子配平電荷守恒、原子守恒寫出電極反應(yīng)．

解答 解：（1）已知反應(yīng)：2CO（g）+4H₂（g）?CH₃CH₂OH（g）+H₂O（g）△H=256.1kJ•mol^-1 ①
                    CO（g）+H₂O（g）═CO₂（g）+H₂（g）△H=41.2kJ•mol^-1 ②
                    H₂O（l）═H₂O（g）△H=+44kJ•mol^-1 ③
根據(jù)蓋斯定律可知，將①-2×③-3×②可得：
2CO₂（g）+6H₂（g）?CH₃CH₂OH（g）+3H₂O（l）△H=-305.7KJ，
故答案為：-305.7 kJ•mol^-1；
（2）①溫度升高，平衡常數(shù)增大即平衡向正反應(yīng)方向移動，故該反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，故答案為：吸熱；
②T℃時，向1L密閉容器中投入1molCH₄和1mol H₂O（g），平衡時c（CH₄）=0.5mol•L^-1，
                 CH₄+H₂O=CO+3H₂，
起始量（mol/L）  1    1    0    0
變化量（mol/L） 0.5  0.5  0.5  1.5
平衡量（mol/L） 0.5   0.5   0.5  1.5
該溫度K=$\frac{[CO][{H}_{2}]^{3}}{[C{H}_{4}][{H}_{2}O]}$=$\frac{0.5×1．{5}^{3}}{0.5×0.5}$=6.75，
故答案為：6.75；
（3）①升高溫度，發(fā)現(xiàn)NO的分解率降低，說明反應(yīng)向逆反應(yīng)方向進行，該反應(yīng)放熱；由圖可知，在$\frac{n（NO）}{n（CO）}$=1的條件下，870℃時，NO還原為N₂的轉(zhuǎn)化率為100%，
故答案為：該反應(yīng)是放熱反應(yīng)，升高溫度反應(yīng)更有利于向逆反應(yīng)方向進行；870℃；
②CH₄與NO₂發(fā)生反應(yīng)生成無毒的N₂、CO₂和H₂O，反應(yīng)為CH₄+2NO₂=CO₂+N₂+2H₂O，故答案為：CH₄+2NO₂=CO₂+N₂+2H₂O；
（4）乙醇在燃料電池的負(fù)極失去12個電子，發(fā)生氧化反應(yīng)，電極反應(yīng)式為CH₃CH₂OH-12e^-+6O^2-=2CO₂+3H₂O，故答案為：CH₃CH₂OH-12e^-+6O^2-=2CO₂+3H₂O．

點評 本題考查蓋斯定律的應(yīng)用、放熱反應(yīng)與吸熱反應(yīng)、熱化學(xué)方程式的書寫、原電池原理，難度中等．根據(jù)圖象分析出分解率的變化特點是解題的關(guān)鍵．