Question

5．工業(yè)燃燒煤、石油等化石燃料釋放出大量氮氧化物（NO_x）、CO₂、SO₂等氣體，嚴(yán)重污染空氣．對廢氣進(jìn)行脫硝、脫碳和脫硫處理可實(shí)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）△H=+133kJ•mol^-1
H₂O（g）═H₂O（l）△H=-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(xué)方程式為：4H₂（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+4H₂O（g）△H=-1100.2kJ•mol^-1．
Ⅱ．脫碳：
（1）向2L密閉容器中加入2molCO₂和6molH₂，在適當(dāng)?shù)拇呋瘎┳饔孟拢�發(fā)生反應(yīng)：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（l）+H₂O（l）
①該反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行的條件是低溫（填“低溫”、“高溫”或“任意溫度”）
②下列敘述能說明此反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)的是de．（填字母）
a．混合氣體的平均式量保持不變     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)有3mol H-H鍵斷裂
③CO₂的濃度隨時(shí)間（0～t₂）變化如圖1所示，在t₂時(shí)將容器容積縮小一倍，t₃時(shí)達(dá)到平衡，t₄時(shí)降低溫度，t₅時(shí)達(dá)到平衡，請畫出t₂～t₆CO₂濃度隨時(shí)間的變化．

（2）改變溫度，使反應(yīng)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(yīng)過程中部分?jǐn)?shù)據(jù)見表：

	反應(yīng)時(shí)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(dá)到平衡時(shí)，反應(yīng)Ⅰ、Ⅱ?qū)Ρ龋浩胶獬��?shù)K（I）＜ K（II）（填“＞”“＜”或“=”下同）；平衡時(shí)CH₃OH的濃度c（I）＜ c（II）．
②對反應(yīng)Ⅰ，前10min內(nèi)的平均反應(yīng)速率v（CH₃OH）=0.025mol/（L•min）．在其他條件不變的情況下，若30min時(shí)只改變溫度T₂℃，此時(shí)H₂的物質(zhì)的量為3.2mol，則T₁＜T₂（填“＞”、“＜”或“=”）．若30min時(shí)只向容器中再充入1molCO₂（g）和1molH₂O（g），則平衡不移動（填“正向”“逆向”或“不”）．
（3）利用人工光合作用可將CO₂轉(zhuǎn)化為甲酸，反應(yīng)原理為2CO₂+2H₂O═2HCOOH+O₂，裝置如圖所示：
①電極2的電極反應(yīng)式是CO₂+2H⁺+2e^-=HCOOH；
②在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，當(dāng)電極2室有11.2L CO₂反應(yīng)． 理論上電極1室液體質(zhì)量減少（填“增加”或“減少”9g．

Answer 1

分析 Ⅰ．H₂的燃燒熱為285.8kJ•mol^-1，則①． 2H₂（g）+O₂（g）=2H₂O（l）△H=-571.6kJ•mol^-1，
②．N₂（g）+2O₂（g）=2NO₂（g）△H=+133kJ•mol^-1
③．H₂O（g）=H₂O（l）△H=-44kJ•mol^-1
根據(jù)蓋斯定律，①×2-②-③×4可得：4H₂（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+4H₂O（g），反應(yīng)熱也進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算；
Ⅱ．（1）①自發(fā)進(jìn)行的判斷依據(jù)是△H-T△S＜0，結(jié)合反應(yīng)特征分析判斷需要的條件；
②可能反應(yīng)到達(dá)平衡時(shí)，正逆反應(yīng)速率相等，各組分的濃度、含量不變，由此衍生的其它一些物理量不變，判斷平衡的物理量應(yīng)隨反應(yīng)進(jìn)行發(fā)生變化，該物理量由變化到不變化，說明到達(dá)平衡；
③t₂時(shí)CO₂濃度為0.5mol/L，則氫氣濃度變化量為（1mol/L-0.5mol/L）×3=1.5mol/L，氫氣平衡濃度為$\frac{6mol}{2L}$-1.5mol/L=1.5mol/L，則該溫度下平衡常數(shù)K=$\frac{1}{0.5×1．{5}^{3}}$，
在t₂時(shí)將容器容積縮小一倍，瞬間CO₂濃度變?yōu)?mol/L，壓強(qiáng)增大，平衡向正反應(yīng)方向移動，t₃時(shí)達(dá)到平衡時(shí)，等效為開始體積縮小一倍到達(dá)的平衡，設(shè)此時(shí)CO₂濃度為xmol/L，則：
             CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（l）+H₂O（l）
開始（mol/L）：2       6       
轉(zhuǎn)化（mol/L）：2-x      6-3x
平衡（mol/L）：x        3x
則$\frac{1}{x×（3x）^{3}}$=$\frac{1}{0.5×1．{5}^{3}}$，解得x=0.5，
t₃時(shí)達(dá)到平衡時(shí)CO₂濃度為0.5mol/L，t₄時(shí)降低溫度，瞬間CO₂濃度不變，正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，而后平衡向正反應(yīng)移動，CO₂濃度減��；
（2）①I為恒溫，Ⅱ?yàn)榻^熱容器，反應(yīng)向逆反應(yīng)進(jìn)行，逆反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，平衡時(shí)溫度比I中低，升高溫度平衡向逆反應(yīng)方向移動，由此判斷平衡常數(shù)及平衡時(shí)CH₃OH的濃度大�。�
③根據(jù)v=$\frac{△c}{△t}$計(jì)算v（H₂），再根據(jù)速率之比等于化學(xué)計(jì)量數(shù)之比計(jì)算v（CH₃OH）；
20min時(shí)，轉(zhuǎn)化的CO₂為2mol-1mol=1mol，則生成的CH₃OH為1mol，而30min時(shí)CH₃OH為1mol，故20min時(shí)到達(dá)平衡，計(jì)算平衡時(shí)各組分濃度，代入平衡常數(shù)表達(dá)式K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）×c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）×{c}^{3}（{H}_{2}）}$計(jì)算；平衡時(shí)氫氣為6mol-1mol×3=3mol，氫氣平衡濃度為$\frac{3mol}{2L}$=1.5mol/L，在其它條件不變，只改變溫度T₂℃，此時(shí)H₂的物質(zhì)的量為3.2mol，說明溫度改變，平衡逆向移動，此反應(yīng)正方向?yàn)榉艧岱磻?yīng)，由此判斷是升溫還是降溫；計(jì)算濃度商Qc，與平衡常數(shù)比較判斷平衡是否移動；
（3）①2是正極，正極上二氧化碳得電子和氫離子反應(yīng)生成HCOOH；
②1電極是負(fù)極，水失電子生成氫離子和氧氣．

解答 解：Ⅰ．H₂的燃燒熱為285.8kJ•mol^-1，則①． 2H₂（g）+O₂（g）=2H₂O（l）△H=-571.6kJ•mol^-1，
②．N₂（g）+2O₂（g）=2NO₂（g）△H=+133kJ•mol^-1
③．H₂O（g）=H₂O（l）△H=-44kJ•mol^-1
根據(jù)蓋斯定律，①×2-②-③×4可得：4H₂（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+4H₂O（g），
則：△H=2×（-571.6kJ•mol^-1）-133kJ•mol^-1-4×（-44kJ•mol^-1）=-1100.2kJ•mol^-1，
故反應(yīng)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．（1）①CO₂（g）+3H₂（g）═CH₃OH（l）+H₂O（l），熵變△S＜0，則反應(yīng)焓變△H＜0，低溫下滿足△H-T△S＜0
故答案為：低溫；
②a．甲醇、水為液體，CO₂、H₂的起始物質(zhì)的量之比為1：3，反應(yīng)按物質(zhì)的量1：3反應(yīng)，故混合氣體中CO₂、H₂的起始物質(zhì)的量之比為1：3，平均摩爾質(zhì)量數(shù)值或平均相對分子質(zhì)量始終保持不變，無法判斷是平衡狀態(tài)，故a錯(cuò)誤；
b．由a中分析，可知CO₂和H₂的體積分?jǐn)?shù)數(shù)值始終保持不變，無法判斷是平衡狀態(tài)，故b錯(cuò)誤；
c．由a中分析，可知CO₂和H₂的轉(zhuǎn)化率始終相等，無法判斷是平衡狀態(tài)，故c錯(cuò)誤；
d．容器容積不變，混合氣體質(zhì)量減小，隨反應(yīng)進(jìn)行混合氣體密度減小，當(dāng)混合氣體的密度不變，反應(yīng)到達(dá)平衡，故d正確；
e.1molCO₂生成的同時(shí)有3molH-H鍵斷裂，而1molCO₂生成的同時(shí)生成3molH-H鍵，氫氣的生成速率與消耗速率相等，反應(yīng)到達(dá)平衡，故e正確，
故選：de；
③t₂時(shí)CO₂濃度為0.5mol/L，則氫氣濃度變化量為（1mol/L-0.5mol/L）×3=1.5mol/L，氫氣平衡濃度為$\frac{6mol}{2L}$-1.5mol/L=1.5mol/L，則該溫度下平衡常數(shù)K=$\frac{1}{0.5×1．{5}^{3}}$，
在t₂時(shí)將容器容積縮小一倍，瞬間CO₂濃度變?yōu)?mol/L，壓強(qiáng)增大，平衡向正反應(yīng)方向移動，t₃時(shí)達(dá)到平衡時(shí)，等效為開始體積縮小一倍到達(dá)的平衡，設(shè)此時(shí)CO₂濃度為xmol/L，則：
            CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（l）+H₂O（l）
開始（mol/L）：2      6
轉(zhuǎn)化（mol/L）：2-x    6-3x
平衡（mol/L）：x      3x
則$\frac{1}{x×（3x）^{3}}$=$\frac{1}{0.5×1．{5}^{3}}$，解得x=0.5，
t₃時(shí)達(dá)到平衡時(shí)CO₂濃度為0.5mol/L，t₄時(shí)降低溫度，瞬間CO₂濃度不變，正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，而后平衡向正反應(yīng)移動，CO₂濃度減小，畫出t₂～t₆CO₂的濃度隨時(shí)間的變化如圖：
故答案為：；
（2）①I為恒溫，Ⅱ?yàn)榻^熱容器，反應(yīng)向逆反應(yīng)進(jìn)行，逆反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，平衡時(shí)溫度比I中低，升高溫度平衡向逆反應(yīng)方向移動，降溫時(shí)平衡正向移動，則平衡常數(shù)K（Ⅰ）＜K（Ⅱ），平衡時(shí)CH₃OH的濃度c（I）＜c（Ⅱ），
故答案為：＜；＜；
②v（H₂）=$\frac{\frac{6mol-4.5mol}{2L}}{10min}$=0.075mol/（L．min），速率之比等于化學(xué)計(jì)量數(shù)之比，v（CH₃OH）=$\frac{1}{3}$v（H₂）=0.025mol/（L•min）；
20min時(shí)，轉(zhuǎn)化的CO₂為2mol-1mol=1mol，則生成的CH₃OH為1mol，而30min時(shí)CH₃OH為1mol，故20min時(shí)到達(dá)平衡，
             CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）
開始（mol/L）：2       6          0       0
轉(zhuǎn)化（mol/L）：1       3          1       1
平衡（mol/L）：1       3          1       1
故平衡常數(shù)K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）×c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）×{c}^{3}（{H}_{2}）}$=$\frac{\frac{1}{2}×\frac{1}{2}}{\frac{1}{2}×（{\frac{3}{2}）}^{3}}$=$\frac{4}{27}$；
平衡時(shí)氫氣為6mol-1mol×3=3mol，氫氣平衡濃度為$\frac{3mol}{2L}$=1.5mol/L，在其他條件不變的情況下，若30min時(shí)只改變溫度T₂℃，此時(shí)H₂的物質(zhì)的量為3.2mol，平衡逆向移動，氫氣濃度增大，由于正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，可以升高溫度，即T₁＜T₂；對反應(yīng)Ⅰ，若30min時(shí)只向容器中再充入1molCO₂（g）和1molH₂O（g），此時(shí)濃度商Qc=$\frac{\frac{1}{2}×\frac{2}{2}}{\frac{2}{2}×（\frac{3}{2}）^{3}}$=$\frac{4}{27}$=K=$\frac{4}{27}$，則平衡不移動；
故答案為：0.025mol/（L•min）；＜；不；
（3）①2是正極，正極上二氧化碳得電子和氫離子反應(yīng)生成HCOOH，電極反應(yīng)式為CO₂+2H⁺+2e^-=HCOOH，故答案為：CO₂+2H⁺+2e^-=HCOOH；
②電極1式為負(fù)極，發(fā)生的電極反應(yīng)式為2H₂O-4e^-=4H⁺+O₂↑，理論上隨著當(dāng)電極2室有11.2L CO₂反應(yīng)，二氧化碳的物質(zhì)的量為$\frac{11.2L}{22.4L/mol}$=0.5mol，轉(zhuǎn)移電子為0.5mol×2=1mol，電極1室參加反應(yīng)的水的質(zhì)量為18g/mol×$\frac{1mol}{2}$=9g，
即電極1室理論減小液體質(zhì)量為9g，
故答案為：減��；9．

點(diǎn)評 本題考查化學(xué)平衡有關(guān)計(jì)算、平衡影響因素、化學(xué)平衡狀態(tài)判斷、平衡常數(shù)、熱化學(xué)方程式書寫、新型電池工作原理及計(jì)算等，題目中作圖為易錯(cuò)點(diǎn)，學(xué)生容易忽略體積壓縮一倍后到達(dá)平衡時(shí)二氧化碳的具體濃度，難度中等．