题目内容
【题目】合成氨所需H2取自CH4，CH4和O2作用成CO2、H2（反应①），然而CH4和O2反应还能生成CO2、H2O（反应②），当有水生成时，H2O和CH4反应（反应③）。下表 为三个反应在不同温度下的平衡常数K。
（1）反应①的平衡常数K①的表达式为_______________。
（2）反应①②③的平衡常数K①、K②、K③之间的关系为K②=_____________（用含K①、 K③的式子表示）。反应①②③的反应焓变：ΔH①、ΔH②、ΔH③之间的关系为ΔH①= _____________（用含ΔH②、ΔH③的式子表示）。
（3）恒温条件下，反应③的能量与反应进程关系应对应下图中的_____________，反应② 的能量与反应进程关系应对应下图中的_____________。
（4）为使反应尽可能按生成H2的方向进行，若只考虑反应③，且不降低反应速率，可采 取__________措施；若只考虑反应①②，除采取控温措施外，还可采取_____________（写出两条措施即可）。
（5）250℃时，以镍合金为催化剂，发生CO2(g)+CH4(g)
2CO(g)+2H2(g)，向40L 的密闭容器中通入6molCO2(g)和6molCH4(g)，平衡时测得体系中CH4的体积分数 为10%，则混合气体的密度为______g/L，CO2的转化率为__________（保留三位有效数字）。
【答案】
K①2/K③ (△H②＋△H③)/2 D B 升高温度 CH4和O2投入比为1：1，或使用只催化反应①的催化剂，或者适当减压 9 66.7%
【解析】
（1）根据化学平衡常数表达式，K①=；
（2）K①=，K②=
，K③=
，因此K②=K①2/K③；根据目标反应方程式，△H①=(△H②＋△H③)/2；
（3）根据表中数据，随着温度的升高，反应③的化学平衡常数增大，根据勒夏特列原理，反应③的正反应方向为吸热反应，即△H>0，反应物总能量低于生成物总能量，故图D正确；同理反应②正反应为放热反应，反应物总能量高于生成物总能量，反应②平衡常数大，说明活化能较低，故图B正确；
（4）根据(3)，反应③为吸热反应，反应向正反应方向移动，可以升高温度；反应①②向正反应方向移动，不降低反应速率，可以采取的措施为CH4和O2投入比为1：1，或使用只催化反应①的催化剂，或者适当减压；
（5）令达到平衡消耗CO2的物质的量为xmol，CO2(g)+CH4(g)
2CO(g)+2H2(g)
6 6 0 0
x x 2x 2x
6－x 6－x 2x 2x
CH4的体积分数(6－x)/(12＋2x)×100%=10%，解得x=4，组分都是气体，气体总质量为(6mol×44g·mol－1＋6mol×14g·mol－1)=360g，容器体积为40L，则气体密度为360g/40L=9g·L－1；CO2的转化率为4mol/6mol×100%=66.7%。
【题目】工业燃烧煤、石油等化石燃料释放出大量氮氧化物(NOx)、CO2、CO、SO2等气体，严重污染空气。对废气进行脱硝、脱碳和脱硫处理可实现绿色环保、废物利用。
I.脱硝：已知：H2的热值为142.9 kJ/g(热值是表示单位质量的燃料完全燃烧时所放出的热量)；
N2(g) + 2O2(g) = 2NO2(g) △H= +133 kJ/mol
H2O(g) =H2O(l) △H=- 44 kJ/mol
催化剂存在下，H2还原NO2生成水蒸气和N2的热化学方程式为_____
Ⅱ.脱碳：
(1)向2L恒容密闭容器中加入2 mol CO2、6 mol H2，在适当的催化剂作用下，发生反应:
CO2(g)+3H2(g)CH3OH(l)+H2O(l)。下列叙述能说明此反应达到平衡状态的是________。
A．混合气体的平均摩尔质量保持不变B．CO2和H2的体积分数保持不变
C．CO2和H2的转化率相等 D．混合气体的密度保持不变
E.1 mol CO2生成的同时有3 mol H—H键断裂
(2)改变温度，使反应CO2(g) + 3H2(g)CH3OH(g) + H2O(g)△H<0中的所有物质都为气态,起始温度体积相同(T1℃、2L密闭容器)。反应过程中部分数据见下表：
恒温恒容 | 反应时间 | CO2(mol) | H2(mol) | CH3OH(mol) | H2O(mol) |
反应I | 0 min | 2 | 6 | 0 | 0 |
10 min | 4.5 | ||||
20 min | 1 | ||||
30 min | 1 | ||||
反应II | 0 min | 0 | 0 | 2 | 2 |
①达到平衡时，反应I、II对比：平衡时CH3OH的浓度c(I)___________c(II)。(填“>”“<”或“=”，下同)；将反应I的条件改为绝热恒容，平衡时的平衡常数与反应I的比较_________(填“增大”“减小”或“不变”)
②对反应Ⅰ，前10min内的平均反应速率v(CH3OH)=________ ,在其他条件不变下，将温度改为T2,测得30min时，H2的物质的量为3.2mol,则T1____T2(填“>”“<”或“=”)若30min时只向容器中再冲入1molCO2(g)和1molH2O(g),则平衡_______移动(填“正向”、“逆向”或“不”)
(3)甲烷燃料电池可以提升能量利用率。下图是利用甲烷燃料电池电解100mL 1mol·L -1食盐水,电解一段时间后,收集到标准状况下的氢气2.24L(设电解后溶液体积不变)。
①甲烷燃料电池的负极反应式: ____________________________________
②电解后溶液的pH= __________________________(忽略氯气与氢氧化钠溶液反应)。
