Question

8．工業(yè)燃燒煤、石油等化石燃料釋放出大量NO_x、CO、CO₂等氣體，嚴(yán)重污染空氣，對(duì)廢氣進(jìn)行脫硝，脫碳等處理可實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保、廢物利用．
Ⅰ、脫硝：
已知：①H₂的熱值為142.9kJ/g（熱值是表示單位質(zhì)量的燃料完全燃燒生成穩(wěn)定的化合物時(shí)所放出的熱量）；
②N₂（g）+2O₂（g）═2NO₂（g）△H=+133kJ/mol
③H₂O（g）═H₂O（1）△H=-44kJ/mol
則催化劑存在下，H₂還原NO₂生成水蒸氣和其他無(wú)毒物質(zhì)的熱化學(xué)方程式為4H₂（g ）+2NO₂（ g）=N₂（g ）+4H₂O（g）△H=-1100.2KJ/mol；
Ⅱ、脫碳
（1）CO與空氣可設(shè)計(jì)成燃料電池（以熔融的碳酸鹽為電解質(zhì)）．寫出該電池的負(fù)極反應(yīng)式：CO-2e^-+CO₃^2-=2CO₂．
（2）甲醇是一種可再生能源，工業(yè)上可用合成氣制備甲醇，反應(yīng)為CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）．某溫度下在容積為VL的密閉容器中進(jìn)行反應(yīng)，其相關(guān)數(shù)據(jù)如圖；反應(yīng)開(kāi)始至平衡時(shí)，用H₂表示化學(xué)反應(yīng)速率為$\frac{0.12}{V}$mol （ L•min ）．該溫度下CO的平衡轉(zhuǎn)化率為60%．
（3）向1L密閉容器中加入1molCO₂、3molH₂，在適當(dāng)?shù)臈l件下，發(fā)生反應(yīng)CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）．
①下列敘述能說(shuō)明此反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)的是abe．
a．混合氣體的平均相對(duì)分子質(zhì)量保持不變
b．CO₂和H₂的體積分?jǐn)?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(shí)又3molH-H鍵斷裂
②相同條件下，在容積都為1L且固定的兩個(gè)密閉容器中，按如下方式加入反應(yīng)物，一段時(shí)間后反應(yīng)達(dá)到平衡．

容器	甲	乙
反應(yīng)物投入量	1mol CO2、3molH2	amol CO2、3amolH2 bmolCH3OH（g）、bmolH2O（g）

若甲中平衡后氣體的壓強(qiáng)為開(kāi)始的0.6倍，要使平衡后乙與甲中相同組分的體積分?jǐn)?shù)相等，且起始時(shí)維持化學(xué)反應(yīng)向逆向反應(yīng)方向進(jìn)行，則b的取值可能為b （填序號(hào)）
a.0.7           b.0.9          c.1.2
若保持溫度不變，起始加入0.5molCO₂、0.5molH₂、0.5molCH₃OH（g）、0.5molH₂O（g） 則此反應(yīng)速率的關(guān)系：v_正＞ v_逆．（填“＞”、“＜”或“=”）

Answer 1

分析 Ⅰ、脫硝：已知：H₂的熱值為142.9KJ•g^-1，燃燒熱為285.8KJ/mol，
①H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=H₂O（l）△H=-285.8KJ/mol
②N₂（g）+2O₂（g）=2NO₂（g）△H=+133kJ•mol^-1
③H₂O（g）=H₂O（l）△H=-44kJ•mol^-1
①×4-②-③×4得到催化劑存在下，H₂還原NO₂生成水蒸氣和其它無(wú)毒物質(zhì)的熱化學(xué)方程式為4H₂（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+4H₂O（g）；
Ⅱ．（1）依據(jù)蓋斯定律計(jì)算可以計(jì)算要求反應(yīng)的焓變，再根據(jù)熱化學(xué)方程式的書寫方法得到熱化學(xué)方程式即可；
該燃料電池中，通入燃料的電極是負(fù)極，通入氧化劑的電極是正極，電解質(zhì)為熔融碳酸鉀，負(fù)極上CO失電子和碳酸根離子反應(yīng)生成二氧化碳
（2）圖象中氫氣變化物質(zhì)的量2.0mol-0.8mol=1.2mol，氫氣反應(yīng)速率v=$\frac{△c}{△t}$=，反應(yīng)為CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g），反應(yīng)的一氧化碳物質(zhì)的量0.6mol，轉(zhuǎn)化率=$\frac{消耗量}{起始量}$×100%；
（3）①平衡標(biāo)志是正逆反應(yīng)速率相同，個(gè)組分含量保持不變，原則是變量不變分析選項(xiàng)；
②利用三段式，根據(jù)等效平衡的思想可答題設(shè)平衡時(shí)二氧化碳轉(zhuǎn)化了xmol，
　　　　        CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g），
開(kāi)始1（mol）：1 　　     3                   0 　      　 0
變化1（mol）：x           3x                  x                  x
平衡1（mol）：1-x       3-3x               x                  x
開(kāi)始2　　　 a              3a                 b                b；
若保持溫度不變，起始加入0.5molCO₂、0.5molH₂、0.5molCH₃OH（g）、0.5molH₂O（g），計(jì)算濃度商和平衡常數(shù)比較判斷此反應(yīng)速率的關(guān)系．

解答 解：Ⅰ． 已知：H₂的熱值為142.9KJ•g^-1，燃燒熱為285.8KJ/mol，
①H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=H₂O（l）△H=-285.8KJ/mol
②N₂（g）+2O₂（g）=2NO₂（g）△H=+133kJ•mol^-1
③H₂O（g）=H₂O（l）△H=-44kJ•mol^-1
①×4-②-③×4得到催化劑存在下，H₂還原NO₂生成水蒸氣和其它無(wú)毒物質(zhì)的熱化學(xué)方程式為4H₂（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+4H₂O（g）△H=-1100.2kJ•mol^-1；
故答案為：4H₂（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+4H₂O（g）△H=-1100.2kJ•mol^-1；
Ⅱ．脫碳：（1）該燃料電池中，通入燃料的電極是負(fù)極，通入氧化劑的電極是正極，電解質(zhì)為熔融碳酸鉀，負(fù)極上CO失電子和碳酸根離子反應(yīng)生成二氧化碳，電極反應(yīng)式為CO-2e^-+CO₃^2-=2CO₂，
故答案為：CO-2e^-+CO₃^2-=2CO₂；
（2）圖象中氫氣變化物質(zhì)的量2.0mol-0.8mol=1.2mol，10分鐘大多平衡狀態(tài)，氫氣反應(yīng)速率v=$\frac{△c}{△t}$=$\frac{\frac{1.2mol}{VL}}{10min}$=$\frac{0.12}{V}$mol/（L•min），反應(yīng)為CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g），反應(yīng)的一氧化碳物質(zhì)的量0.6mol，轉(zhuǎn)化率=$\frac{消耗量}{起始量}$×100%=$\frac{0.6mol}{1mol}$×100%=60%，
故答案為：$\frac{0.12}{V}$mol （ L•min ）；60%；
（3）①發(fā)生反應(yīng)CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）．
a、反應(yīng)前后氣體物質(zhì)的量變化，氣體質(zhì)量不變，混合氣體的平均式量始終保持不變，能說(shuō)明反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，故a正確；
b、CO₂和H₂的體積分?jǐn)?shù)保持不變是平衡標(biāo)志，故b正確；
c、向2L密閉容器中加入2mol CO₂、6mol H₂，按照1：3反應(yīng)，CO₂和H₂的轉(zhuǎn)化率始終相等，不能確定反應(yīng)是否達(dá)到平衡狀態(tài)，故c錯(cuò)誤；
d、反應(yīng)前后氣體質(zhì)量和體積不變，混合氣體的密度保持不變，不能說(shuō)明反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，故d錯(cuò)誤；
e、1mol CO₂生成的同時(shí)有3mol H-H鍵斷裂，說(shuō)明正逆反應(yīng)速率相同，反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，故e正確；
故答案為：a b e；
②設(shè)平衡時(shí)二氧化碳轉(zhuǎn)化了xmol，
　　　　　  　CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g），
開(kāi)始1（mol）：1 　　     3                  0 　            　 0
變化1（mol）：x            3x                 x                     x
平衡1（mol）：1-x        3-3x              x                      x
開(kāi)始2　　　 a              3a               b                       b
則由題意可知：$\frac{x+x+1-x+3-3x}{1+3}$=0.6，
解得x=0.8，
平衡常數(shù)K=$\frac{0.8×0.8}{0.2×（3-2.4）^{3}}$=14.8，
根據(jù)恒溫恒容條件下的等效平衡的思想則有開(kāi)始1和開(kāi)始2為完全等效，即a+b=1，要使反應(yīng)始終向逆向進(jìn)行，則b＞x，故a的范圍為小于等于1大于0.8，
0.8＜b≤1，故選b，
若保持溫度不變，起始加入0.5molCO₂、0.5molH₂、0.5molCH₃OH（g）、0.5molH₂O（g），Qc=$\frac{0.5×0.5}{0.5×0．{5}^{3}}$=4＜K，則此反應(yīng)速率的關(guān)系v_正＞v_逆．
故答案為：b；＞．

點(diǎn)評(píng) 本題主要考查了熱化學(xué)方程式的書寫、電極反應(yīng)的書寫、化學(xué)平衡的計(jì)算及氧化還原反應(yīng)方程式的書寫，綜合性較強(qiáng)，題目難度中等．