Question

【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、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的燃烧热为285.8kJ·mol－1

N2(g)＋2O2(g)=2NO2(g) ΔH＝＋133kJ·mol－1

H2O(g)=H2O(l) ΔH＝－44kJ·mol－1

催化剂存在下，H2还原NO2生成水蒸气和其他无毒物质的热化学方程式为___。

Ⅱ.脱碳：（1）向2L密闭容器中加入2molCO2和6molH2，在适当的催化剂作用下，发生反应：CO2(g)＋3H2(g)CH3OH(l)＋H2O(l) ΔH<0

①该反应自发进行的条件是___(填“低温”“高温”或“任意温度”)

②下列叙述能说明此反应达到平衡状态的是___(填字母)。

a．混合气体的平均相对分子质量保持不变 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．1molCO2生成的同时有3 molH—H键断裂

③CO2的浓度随时间(0～t2)变化如图所示，在t2时将容器容积缩小一倍，t3时达到平衡，

t4时降低温度，t5时达到平衡，请画出t2～t6时间段CO2浓度随时间的变化___。

（2）改变温度，使反应CO2(g)＋3H2(g)CH3OH(g)＋H2O(g) ΔH<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：

	反应时间	CO2(mol)	H2(mol)	CH3OH(mol)	H2O(mol)
反应Ⅰ： 恒温恒容	0min	2	6	0	0
	10min		4.5
	20min	1
	30min			1
反应Ⅱ： 绝热恒容	0min	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“＝”)。

②对反应Ⅰ，前10min内的平均反应速率v(CH3OH)＝___。在其他条件不变的情况下，若30 min时只改变温度至T2℃，此时H2的物质的量为3.2mol，则T1___(填“>”“<”或“＝”)T2。若30min时只向容器中再充入1 molCO2(g)和1molH2O(g)，则平衡___(填“正向”“逆向”或“不”)移动。

（3）利用人工光合作用可将CO2转化为甲酸，反应原理为2CO2＋2H2O=2HCOOH＋O2，装置如图所示：

①电极2的电极反应式是____；

②在标准状况下，当电极2室有11.2LCO2反应。理论上电极1室液体质量___(填“增加”或“减少”)___g。

Answer 1

【答案】4H2(g)＋2NO2(g)=N2(g)＋4H2O(g) ΔH＝－1100.2kJ·mol－1 低温 de < 0.025mol·L－1·min－1 < 不 CO2＋2H＋＋2e－=HCOOH 减少 9

【解析】

根据题意可知，本题考查热化学方程式的书写、化学平衡移动、化学反应速率、电化学知识，运用盖斯定律、勒夏特列原理、、电化学原理分析。

Ⅰ.H2的燃烧热为285.8kJmol1，则①.2H2(g)+O2(g)=2H2O(l) △H=571.6kJmol1，②.N2(g)+2O2(g)=2NO2(g) △H=+133kJmol1③.H2O(g)=H2O(l) △H=44kJmol1根据盖斯定律①×2②③×4可得：4H2(g)+2NO2(g)=N2(g)+4H2O(g)，则：△H=2×(571.6kJmol1)133kJmol14×(44kJmol1) = 1100.2kJmol1，故反应热化学方程式为：4H2(g)+2NO2(g)=N2(g)+4H2O(g) △H=1100.2kJmol1，

故答案为：4H2(g)+2NO2(g)=N2(g)+4H2O(g) △H=1100.2kJmol1；

Ⅱ. (1)①CO2(g)+3H2(g)═CH3OH(l)+H2O(l)，熵变△S<0，则反应焓变△H<0，低温下满足△HT△S<0

故答案为：低温；

②a.甲醇、水为液体，CO2、H2的起始物质的量之比为1:3，反应按物质的量1:3反应，故混合气体中CO2、H2的起始物质的量之比为1:3，平均摩尔质量数值或平均相对分子质量始终保持不变，无法判断是平衡状态，故a错误；

b.由a中分析，可知CO2和H2的体积分数数值始终保持不变，无法判断是平衡状态，故b错误；

c.由a中分析，可知CO2和H2的转化率始终相等，无法判断是平衡状态，故c错误；

d.容器容积不变，混合气体质量减小，随反应进行混合气体密度减小，当混合气体的密度不变，反应到达平衡，故d正确；

e.1molCO2生成的同时有3molHH键断裂，而1molCO2生成的同时生成3molHH键，氢气的生成速率与消耗速率相等，反应到达平衡，故e正确，

故答案为：de；

③t2时CO2浓度为0.5mol/L，则氢气浓度变化量为(1mol/L0.5mol/L)×3=1.5mol/L，氢气平衡浓度为1.5mol/L=1.5mol/L，则该温度下平衡常数，在t2时将容器容积缩小一倍，瞬间CO2浓度变为1mol/L，压强增大，平衡向正反应方向移动，t3时达到平衡时，等效为开始体积缩小一倍到达的平衡，设此时CO2浓度为xmol/L，则：

CO2(g)+3H2(g)CH3OH(l)+H2O(l)

开始(mol/L): 2 6

转化(mol/L): 2x 63x

平衡(mol/L) :x 3x

则，解得x=0.5，

t3时达到平衡时CO2浓度为0.5mol/L，t4时降低温度，瞬间CO2浓度不变，正反应为放热反应，而后平衡向正反应移动，CO2浓度减小，画出t2t6CO2的浓度随时间的变化如图：

。

故答案为： ；

(2)①I为恒温，Ⅱ为绝热容器，反应向逆反应进行，逆反应为吸热反应，平衡时温度比I中低，升高温度平衡向逆反应方向移动，降温时平衡正向移动，则平衡常数K(Ⅰ)<K(Ⅱ)，平衡时CH3OH的浓度c(I)<c(Ⅱ)，

故答案为：<；

②，速率之比等于化学计量数之比，v(CH3OH)= v(H2)=0.025mol/(Lmin)；20min时，转化的CO2为2mol1mol=1mol，则生成的CH3OH为1mol，而30min时CH3OH为1mol，故20min时已达平衡，

CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)

开始(mol/L): 2 6 0 0

转化(mol/L): 1 3 1 1

平衡(mol/L): 1 3 1 1

故平衡常数，

平衡时氢气为6mol1mol×3=3mol，氢气平衡浓度为，在其他条件不变的情况下，若30min时只改变温度T2℃，此时H2的物质的量为3.2mol，平衡逆向移动，氢气浓度增大，由于正反应为放热反应，可以升高温度，即T1<T2；对反应Ⅰ，若30min时只向容器中再充入1molCO2(g)和1molH2O(g)，此时浓度商，则平衡不移动；

故答案为：0.025mol/(Lmin)；<；不；

(3)①电极2是正极，正极上二氧化碳得电子和氢离子反应生成HCOOH，电极反应式为CO2+2H++2e=HCOOH，

故答案为：CO2+2H++2e=HCOOH；

②电极1式为负极，发生的电极反应式为2H2O4e=4H++O2↑，理论上随着当电极2室有11.2L CO2反应，二氧化碳的物质的量为，转移电子为0.5mol×2=1mol，电极1室参加反应的水的质量为18g/mol×=9g，即电极1室理论减小液体质量为9g，

故答案为：减小；9。