Question

12．2013年雾霾天气多次肆虐我国中东部地区．其中，汽车尾气和燃煤尾气是造成空气污染的原因之一．
（1）CO₂是大气中含量最高的一种温室气体，控制和治理CO₂是解决温室效应的有效途径．目前，由CO₂来合成二甲醚已取得了较大的进展，其化学反应是：
2CO₂（g）+6H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+3H₂O（g）△H＞0．
①写出该反应的平衡常数表达式$\frac{c（C{H}_{3}OC{H}_{3}）．{c}^{3}（{H}_{2}O）}{{c}^{2}（C{O}_{2}）．{c}^{6}（{H}_{2}）}$．
②判断该反应在一定条件下，体积恒定的密闭容器中是否达到化学平衡状态的依据是BD．
A．容器中密度不变              B．单位时间内消耗2molCO₂，同时消耗1mol二甲醚
C．v（CO₂）：v（H₂）=1：3      D．容器内压强保持不变
（2）汽车尾气净化的主要原理为：2NO（g）+2CO（g） $\stackrel{催化剂}{?}$2CO₂（g）+N₂ （g）
在密闭容器中发生该反应时，c（CO₂）随温度（T）、催化剂的表面积（S）和时间（t）的变化曲线，如图所示．据此判断：
①该反应的△H＜0（选填“＞”、“＜”）．
②当固体催化剂的质量一定时，增大其表面积可提高化学反应速率．若催化剂的表面积S₁＞S₂，在图中画出c（CO₂）在T₂、S₂条件下达到平衡过程中的变化曲线．
（3）已知：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H=-a kJ•mol^-1．
①经测定不同温度下该反应的平衡常数如下：

温度（℃）	250	300	350
K	2.041	0.270	0.012

若某时刻、250℃测得该反应的反应物与生成物的浓度为c（CO）=0.4mol•L^-1、c（H₂）=0.4mol•L^-1、c（CH₃OH）=0.8mol•L^-1，则此时v_正＜v_逆（填“＞”、“＜”或“=”）．
②某温度下，在体积固定的2L的密闭容器中将1mol CO和2mol H₂混合，测得不同时刻的反应前后压强关系如下：

时间（min）	5	10	15	20	25	30
压强比（P后/P前）	0.98	0.90	0.80	0.70	0.70	0.70

达到平衡时CO的转化率为45%．
（4）液氨作为一种潜在的清洁汽车燃料已越来越被研究人员重视．它在安全性、价格等方面较化石燃料和氢燃料有着较大的优势．氨在燃烧实验中相关的反应有：
4NH₃（g）+3O₂（g）=2N₂（g）+6H₂O（l）△H₁  ①
4NH₃（g）+5O₂（g）=4NO（g）+6H₂O（l）△H₂ ②
4NH₃（g）+6NO（g）=5N₂（g）+6H₂O（l）△H₃ ③
请写出上述三个反应中△H₁、△H₂、△H₃三者之间关系的表达式，△H₁=$\frac{3△{H}_{2}+2△{H}_{3}}{5}$．
（5）美国Simons等科学家发明了使NH₃直接用于燃料电池的方法，其装置为用铂作为电极，加入KOH电解质溶液中，其电池反应为 4NH₃+3O₂=2N₂+6H₂O，写出该燃料电池的正极反应式O₂+2H₂O+4e^-=4OH^-．

Answer 1

分析 （1）①化学平衡常数K=$\frac{c（C{H}_{3}OC{H}_{3}）．{c}^{3}（{H}_{2}O）}{{c}^{2}（C{O}_{2}）．{c}^{6}（{H}_{2}）}$；
②可逆反应达到平衡状态时，正逆反应速率相等，反应体系中各物质的物质的量、物质的量浓度、百分含量不变，由此引起的一系列物理量不变；
（2）①根据先拐先平数值大知，T1＞T2，升高温度，二氧化碳浓度降低，说明正反应是放热反应；
②催化剂只改变反应速率不改变平衡移动，所以平衡时二氧化碳浓度不变，但反应到达平衡的时间缩短；
（3）①该反应的浓度商=$\frac{0.8}{0.4×0．{4}^{2}}$=12.5＞K，平衡逆向移动；
②根据表中数据知，20min时该反应达到平衡状态，恒温恒容条件下，反应前后气体物质的量之比等于其压强之比，反应后压强是反应前的0.70倍，则反应后气体物质的量=0.70×（1+2）mol=2.1mol，根据方程式知，参加反应的n（CO）为反应前后气体减少物质的量的一半，所以参加反应的n（CO）=（1+2-2.1）mol×$\frac{1}{2}$=0.45mol，据此计算其转化率；
（4）根据盖斯定律计算其反应热，从而确定三个焓变关系；
（5）燃料碱性电池中，正极上氧气得电子和水反应生成氢氧根离子．

解答 解：（1）①化学平衡常数K=$\frac{c（C{H}_{3}OC{H}_{3}）．{c}^{3}（{H}_{2}O）}{{c}^{2}（C{O}_{2}）．{c}^{6}（{H}_{2}）}$，故答案为：$\frac{c（C{H}_{3}OC{H}_{3}）．{c}^{3}（{H}_{2}O）}{{c}^{2}（C{O}_{2}）．{c}^{6}（{H}_{2}）}$；
②A．容器中气体质量不变、容器体积不变，所以容器中密度始终不变，则不能根据密度判断平衡状态，故错误；           
B．单位时间内消耗2molCO₂，同时消耗1mol二甲醚也同时生成1mol二甲醚，二甲醚正逆反应速率相等，该反应达到平衡状态，故正确；
C．无论反应是否达到平衡状态都存在v（CO₂）：v（H₂）=1：3，所以不能据此判断平衡状态，故错误；
D．反应前后气体物质的量之和减小，所以反应前后气体压强改变，当容器内压强保持不变时，该反应达到平衡状态，故正确；
故选BD；
（2）①根据先拐先平数值大知，T1＞T2，升高温度，二氧化碳浓度降低，说明正反应是放热反应，则焓变小于0，故答案为：＜；
②催化剂只改变反应速率不改变平衡移动，所以平衡时二氧化碳浓度不变，但反应到达平衡的时间缩短，其图象为，
故答案为：；
（3）①该反应的浓度商=$\frac{0.8}{0.4×0．{4}^{2}}$=12.5＞K，平衡逆向移动，则正反应速率小于逆反应速率，故答案为：＜；
②根据表中数据知，20min时该反应达到平衡状态，恒温恒容条件下，反应前后气体物质的量之比等于其压强之比，反应后压强是反应前的0.70倍，则反应后气体物质的量=0.70×（1+2）mol=2.1mol，根据方程式知，参加反应的n（CO）为反应前后气体减少物质的量的一半，所以参加反应的n（CO）=（1+2-2.1）mol×$\frac{1}{2}$=0.45mol，所以CO转化率=$\frac{0.45mol}{1mol}×100%$=45%，
故答案为：45%；
（4）由反应4NH₃（g）+3O₂（g）=2N₂（g）+6H₂O（l）△H₁ ①
4NH₃（g）+5O₂（g）=4NO（g）+6H₂O（l）△H₂ ②
4NH₃（g）+6NO（g）=5N₂（g）+6H₂O（l）△H₃③
则反应$\frac{3②+2③}{5}$可得到反应①，则△H₁=$\frac{3△{H}_{2}+2△{H}_{3}}{5}$，故答案为：△H₁=$\frac{3△{H}_{2}+2△{H}_{3}}{5}$；
（5）燃料碱性电池中，正极上氧气得电子和水反应生成氢氧根离子，电极反应式为O₂+2H₂O+4e^-=4OH^-，故答案为：O₂+2H₂O+4e^-=4OH^-．

点评 本题考查较综合，涉及原电池原理、盖斯定律、化学平衡常数有关计算等知识点，为高频考点，只有反应前后改变的物理量才能作为平衡状态判断依据，难点是电极反应式的书写及平衡移动方向判断，题目难度中等．