Question

14．汽車在現(xiàn)代生活中扮演著越來越重要的角色，但其尾氣（碳氫化合物、氮氧化物及一氧化碳等）帶來的環(huán)境污染越來越明顯，汽車尾氣的治理已經(jīng)迫在眉睫．
（1）尾氣中的CO主要來自于汽油的不完全燃燒．
①有人設(shè)想按下列反應(yīng)除去CO：2CO（g）═2C（s）+O₂（g）△H=+221kJ•mol^-1，簡述該設(shè)想能否實現(xiàn)否（填“是”或“否”）依據(jù)是：該反應(yīng)是焓增、熵減的反應(yīng)，任何溫度下均不能自發(fā)進行．
②研究表明：反應(yīng)CO（g）+H₂O（g）?H₂（g）+CO₂（g）平衡常數(shù)隨溫度的變化如下表所示：

溫度/℃	400	500	800
平衡常數(shù)K	9.94	9	1

該反應(yīng)的△H＜0（填“＞”或“＜”）若反應(yīng)在500℃時進行，設(shè)起始時CO和H₂O的濃度均為0.020mol•L^-1，在該條件下達到平衡時，CO的轉(zhuǎn)化率為75%．
（2）用CO做燃料電池電解NaCl溶液、FeCl₃和FeCl₂混合液的示意圖如圖1所示，其中A、B、D均為石墨電極，C為銅電極，轉(zhuǎn)移0.4mol e^-后，斷開K．

①乙中產(chǎn)生的氣體在標準狀況下的體積為7.28L．
②丙裝置溶液中金屬陽離子的物質(zhì)的量與轉(zhuǎn)移電子的物質(zhì)的量變化關(guān)系如圖2所示，反應(yīng)結(jié)束后，要使丙裝置中金屬陽離子恰好完全沉淀，需要280mL 5.0mol•L^-1 NaOH溶液．
（3）電解法處理氮氧化合物是目前大氣污染治理的一個新思路，原理是將NO_x在電解池中分解成無污染的N₂和O₂除去，如圖2所示，兩電極間是固體氧化物電解質(zhì)，在一定條件下可自由傳導(dǎo)O^2-，電解池陰極反應(yīng)為2NO_x+4xe^-=N₂+2xO^2-．

（4）尾氣中的碳氫化合物，如甲烷，可以用來制備氫氣．其反應(yīng)方程式為：
CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）△H=+206.2kJ/mol
[其中投料比n（CH₄）：n（H₂O）=1：1]．
對于氣相反應(yīng)，用某組分（B）的平衡壓強（P_B）代替物質(zhì)的量濃度（c_B）也可表示平衡常數(shù)（記作K_P，分壓=總壓×物質(zhì)的量分數(shù)）．平衡時CH₄的轉(zhuǎn)化率與溫度、壓強（總壓）的關(guān)系如圖4所示：
則p₁＜ p₂ （填“＞”或“＜”），p₂時M點的平衡常數(shù)K_P=0.066（小數(shù)點后保留3位）．

Answer 1

分析 （1）①依據(jù)反應(yīng)自發(fā)進行的條件是△H-T△S＜0分析判斷；
②溫度升高K值減小，所以正反應(yīng)為放熱反應(yīng)；令CO的濃度變化為c，用三段式表示出各物質(zhì)變化的濃度、平衡時的濃度，再根據(jù)平衡常數(shù)計算；
（2）①乙中是電解氯化鈉溶液，陰極上是氫離子放電產(chǎn)生氫氣，陽極上先是氯離子放電產(chǎn)生氯氣，氯離子用完之后是氫氧根離子放電產(chǎn)生氧氣，據(jù)此計算；
②C電極為陽極，D電極為陰極，根據(jù)丙圖可知溶液中有三種金屬陽離子，而根據(jù)丙的成分可知溶液中只有兩種金屬陽離子，說明在電解過程中還有Cu²⁺生成，因此C電極是Cu做陽極，D電極是石墨做陰極，根據(jù)轉(zhuǎn)移電子的物質(zhì)的量和金屬陽離子的物質(zhì)的量的變化確定曲線對應(yīng)的離子，結(jié)合轉(zhuǎn)移電子的物質(zhì)的量計算；
（3）電解法處理氮氧化合物原理是將NO_x在電解池中分解成無污染的N₂和O₂除去，兩電極間是固體氧化物電解質(zhì)，在一定條件下可自由傳導(dǎo)O^2-，陰極發(fā)生還原反應(yīng)，陰極上是NO_x獲得電子生成N₂與O^2-；
（4）該反應(yīng)為氣體體積增大的反應(yīng)，當溫度一定時，根據(jù)甲烷的轉(zhuǎn)化率與壓強的關(guān)系可判斷壓強大小；p₂時M點的甲烷的平衡轉(zhuǎn)化率為30%，據(jù)此可計算得平衡是都只物質(zhì)的濃度，再根平衡常數(shù)的定義進行計算；

解答 解：（1）①2CO（g）═2C（s）+O₂（g）△H=+221kJ•mol^-1，反應(yīng)是焓變增大，熵變減小的反應(yīng)，△H＞0，△S＜0，則△H-T△S＞0，反應(yīng)任何溫度下都不能自發(fā)進行，
故答案為：否；該反應(yīng)是焓增、熵減的反應(yīng)，任何溫度下均不能自發(fā)進行；
②溫度升高K值減小，所以正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，△H＜0
對于反應(yīng)       CO（g）+H₂O（g）?H₂（g）+CO₂（g），
開始（mol/L）：0.02   0.02       0       0
變化（mol/L）：c      c          c       c
平衡（mol/L）：0.02-c 0.02-c     c       c
所以$\frac{c×c}{（0.02-c）（0.02-c）}$=9，解得c=0.015，
所以CO的轉(zhuǎn)化率為$\frac{0.015mol/L}{0.02mol/L}$×100%=75%，
故答案為：＜；75%；
（2）①乙中是電解氯化鈉溶液，陰極上是氫離子放電產(chǎn)生氫氣，陽極上先是氯離子放電產(chǎn)生氯氣，氯離子用完之后是氫氧根離子放電產(chǎn)生氧氣，當轉(zhuǎn)移0.4mol e^-，
陰極產(chǎn)生的氣體為氫氣的物質(zhì)的量為0.2mol，根據(jù)圖中數(shù)據(jù)可知，氯離子的物質(zhì)的量為0.1mol，所以產(chǎn)生氯氣為0.05mol，同時轉(zhuǎn)移0.1mol電子，還有0.3mol電子用于產(chǎn)生氧氣，根據(jù)電極反應(yīng)4OH^--4e^-=2H₂O+O₂↑，可知，氧氣的物質(zhì)的量為0.075mol，所以在乙裝置中共產(chǎn)生的氣體的物質(zhì)的量為0.2mol+0.05mol+0.075mol=0.325mol，所以氣體的體積為7.28L，
故答案為：7.28L；
②根據(jù)轉(zhuǎn)移電子的物質(zhì)的量和金屬陽離子的物質(zhì)的量的變化，可知，銅離子從無增多，鐵離子物質(zhì)的量減小，亞鐵離子增加，①為Fe³⁺，②為Fe²⁺，③為Cu²⁺，電子轉(zhuǎn)移為0.4mol，對比圖象，可知此時溶液中為Fe²⁺ 0.5mol，和Cu²⁺離子0.2mol．需要加入NaOH溶液1.4mol，體積為280ml，
故答案為：280；
（3）電解法處理氮氧化合物原理是將NO_x在電解池中分解成無污染的N₂和O₂除去，兩電極間是固體氧化物電解質(zhì)，在一定條件下可自由傳導(dǎo)O^2-，陰極發(fā)生還原反應(yīng)，陰極上是NO_x獲得電子生成N₂與O^2-，電極反應(yīng)式為：2NO_x+4xe^-=N₂+2xO^2-，
故答案為：2NO_x+4xe^-=N₂+2xO^2-；
（4）該反應(yīng)為氣體體積增大的反應(yīng)，當溫度一定時，根據(jù)甲烷的轉(zhuǎn)化率與壓強的關(guān)系可判斷壓強大小知p₁時的甲烷的轉(zhuǎn)化率大于 p₂ 時的，即平衡向正反應(yīng)方向移動，所以，p₁＜p₂；p₂時M點的甲烷的平衡轉(zhuǎn)化率為30%，設(shè)起始CH₄和H₂O的物質(zhì)的是量均為amol，
則根據(jù)反應(yīng)，
            CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）
起始（mol）  a        a        0       0       
轉(zhuǎn)化（mol）  0.3a    0.3a     0.3a     0.9a
平衡（mol）  0.7a    0.7a     0.3a     0.9a   
所以CH₄、H₂O、CO、H₂平衡分壓分別為$\frac{0.7a}{2.6a}$=$\frac{7}{26}$、$\frac{7}{26}$、$\frac{3}{26}$、$\frac{9}{26}$，則K_P=$\frac{\frac{3}{26}×（\frac{9}{26}）^{3}}{\frac{7}{26}×\frac{7}{26}}$=0.066，
故答案為：＜； 0.066．

點評 本題考查了電解原理的分析應(yīng)用、反應(yīng)自發(fā)進行的判斷依據(jù)、化學平衡常數(shù)的計算等，掌握基礎(chǔ)是關(guān)鍵，題目難度較大，答題時注意題中信息的靈活運用．