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、CO、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的熱值為142.9 kJ/g(熱值是表示單位質(zhì)量的燃料完全燃燒時所放出的熱量)；

N2(g) + 2O2(g) = 2NO2(g) △H= +133 kJ/mol

H2O(g) =H2O(l) △H=- 44 kJ/mol

催化劑存在下，H2還原NO2生成水蒸氣和N2的熱化學方程式為_____

Ⅱ.脫碳：

(1)向2L恒容密閉容器中加入2 mol CO2、6 mol H2，在適當?shù)拇呋瘎┳饔孟�，發(fā)生反應:

CO2(g)+3H2(g)CH3OH(l)+H2O(l)。下列敘述能說明此反應達到平衡狀態(tài)的是________。

A．混合氣體的平均摩爾質(zhì)量保持不變B．CO2和H2的體積分數(shù)保持不變

C．CO2和H2的轉化率相等 D．混合氣體的密度保持不變

E.1 mol CO2生成的同時有3 mol H—H鍵斷裂

(2)改變溫度，使反應CO2(g) + 3H2(g)CH3OH(g) + H2O(g)△H<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)。反應過程中部分數(shù)據(jù)見下表：

恒溫恒容	反應時間	CO2(mol)	H2(mol)	CH3OH(mol)	H2O(mol)
反應I	0 min	2	6	0	0
	10 min		4.5
	20 min	1
	30 min			1
反應II	0 min	0	0	2	2

①達到平衡時，反應I、II對比：平衡時CH3OH的濃度c(I)___________c(II)。(填“>”“<”或“=”，下同)；將反應I的條件改為絕熱恒容，平衡時的平衡常數(shù)與反應I的比較_________(填“增大”“減小”或“不變”)

②對反應Ⅰ，前10min內(nèi)的平均反應速率v(CH3OH)=________ ,在其他條件不變下，將溫度改為T2,測得30min時，H2的物質(zhì)的量為3.2mol,則T1____T2(填“>”“<”或“=”)若30min時只向容器中再沖入1molCO2(g)和1molH2O(g),則平衡_______移動(填“正向”、“逆向”或“不”)

(3)甲烷燃料電池可以提升能量利用率。下圖是利用甲烷燃料電池電解100mL 1mol·L -1食鹽水,電解一段時間后,收集到標準狀況下的氫氣2.24L(設電解后溶液體積不變)。

①甲烷燃料電池的負極反應式: ____________________________________

②電解后溶液的pH= __________________________(忽略氯氣與氫氧化鈉溶液反應)。

Answer 1

【答案】4H2(g)+2NO2(g)==N2(g)+4H2O(g) △H= -1100.2 kJ/mol DE = 減小 0.025mol/(L.min) < 不 CH4+2H2O-8e-=CO2+8H+ 14

【解析】

Ⅰ、依據(jù)題意書寫出氫氣燃燒的熱化學方程式，再根據(jù)蓋斯定律處理得到目標熱化學方程式；

Ⅱ、(1)平衡標志是正逆反應速率相等，各組分含量保持不變，據(jù)此分析各選項；

(2)①CO2(g)+3H2(g)═CH3OH(g)+H2O(g)△H＜0，反應Ⅰ中2mol CO2、6mol H2和反應Ⅱ中2mol CH3OH(g)、2mol H2O(g)等效；將反應I的條件改為絕熱恒容，反應后溫度升高，結合溫度對平衡的影響分析判斷；

②反應速率v=計算得到氫氣反應速率，再根據(jù)速率之比等于化學方程式計量數(shù)之比計算甲醇反應速率；依據(jù)平衡三段式列式計算分析平衡狀態(tài)的物質(zhì)的量，結合平衡的影響因素分析判斷；

(3)①原電池負極發(fā)生氧化反應，甲烷在負極通入，酸性條件下，發(fā)生氧化反應生成CO2、H+；

②根據(jù)氯化鈉的物質(zhì)的量及電解方程式來求溶液中生成的氫氧根離子濃度，再計算出溶液的pH。

Ⅰ． 已知：H2的熱值為142.9kJg-1 ，則燃燒熱為285.8kJ/mol，因此①H2(g)+O2(g)=H2O(l) △H=-285.8kJ/mol，②N2(g)+2O2(g)=2NO2(g) △H=+133 kJ/mol，③H2O(g)=H2O(l) △H=-44 kJ/mol，根據(jù)蓋斯定律，將①×4-②-③×4得到催化劑存在下，H2還原NO2生成水蒸氣和N2的熱化學方程式為4H2(g)+2NO2(g)=N2(g)+4H2O(g)△H=-1100.2kJmol-1，故答案為：4H2(g)+2NO2(g) = N2(g)+4H2O(g) △H=-1100.2kJmol-1；

Ⅱ．(1)向2L恒容密閉容器中加入2 mol CO2、6 mol H2，在適當?shù)拇呋瘎┳饔孟拢�發(fā)生反應CO2(g)+3H2(g)CH3OH(l)+H2O(l)。A、混合氣體的平均摩爾質(zhì)量始終保持不變，不能說明反應達到平衡狀態(tài)，故A錯誤； B、向2L密閉容器中加入2mol CO2、6mol H2，按照1∶3反應，由于生成物不是氣體，所以過程中CO2和H2的體積分數(shù)始終保持不變，不能說明反應達到平衡狀態(tài)，故B錯誤；C、向2L密閉容器中加入2mol CO2、6mol H2，按照1∶3反應，CO2和H2的轉化率始終相等，不能確定反應是否達到平衡狀態(tài)，故C錯誤；D、反應物是氣體，生成物是液體，反應過程中氣體的質(zhì)量減小而體積不變，故混合氣體的密度是變量，當混合氣體的密度保持不變時，能夠說明反應達到平衡狀態(tài)，故D正確；E、1mol CO2生成的同時有3mol H-H鍵斷裂，說明正、逆反應速率相同，反應達到平衡狀態(tài)，故E正確；故答案為：DE；

(2)①根據(jù)反應CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)△H＜0，反應Ⅰ中2mol CO2、6mol H2和反應Ⅱ中2mol CH3OH(g)、2mol H2O(g)等效，平衡時達到相同的平衡狀態(tài)，即CH3OH的濃度c(I)= c(II)；將反應I的條件改為絕熱恒容，反應后溫度升高，相當于反應I在恒溫恒容容器中達到平衡后，升高溫度，平衡逆向移動，平衡常數(shù)減小，故答案為：=；減��；

② CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g)

起始量(mol) 2 6 0 0

變化量(mol) 1 3 1 1

30min量(mol) 1 3 1 1

對反應I，前10min內(nèi)的平均反應速率v(CH3OH)=v(H2)=×(6-4.5)mol2L10min =0.025molL-1min-1；若30min時只改變溫度為T2℃，此時H2的物質(zhì)的量為3.2mol，氫氣增加，說明平衡逆向移動，溫度升高，即T2＞T1，若30min時只向容器中再充入1mol CO2(g)和1mol H2O(g)，對正逆反應的影響程度相同，平衡不移動，故答案為：0.025molL-1min-1 ；＜；不；

(3)①原電池負極發(fā)生氧化反應，甲烷在負極通入，酸性條件下，發(fā)生氧化反應生成CO2、H+，負極的電極反應式為：CH4-8e-+2H2O=CO2+8H+，故答案為：CH4-8e-+2H2O=CO2+8H+；

②標況下2.24L氫氣的物質(zhì)的量為0.1mol，100mL 1mol/L食鹽水中含有氯化鈉0.1mol，根據(jù)反應方程式2NaCl+2H2O2NaOH+H2↑+Cl2↑可知，電解0.1molNaCl生成0.1mol氫氧化鈉和0.05mol氫氣，同時生成0.05mol氯氣，因此需要繼續(xù)電解水，即氯化鈉完全電解。因此電解生成標況下2.24L氫氣時，生成氫氧化鈉的物質(zhì)的量為：0.1mol，此時溶液中氫氧根離子濃度為：=1mol/L，溶液中氫離子濃度為：c(H+)= mol/L =10-14mol/L，所以溶液的pH=14，故答案為：14。