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：

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

⑴①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3molH—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～t6CO2浓度随时间的变化曲线。

⑵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：

反应条件	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：平衡常数K(Ⅰ) K(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30min时只向容器中再充入1molCO2(g)和1molH2O(g)，则平衡 移动(填“正向”“逆向”或“不”)。

⑶利用CO与H2可直接合成甲醇，下图是由“甲醇—空气”形成的绿色燃料电池的工作原理

示意图，写出以石墨为电极的电池工作时负极的电极反应式

Answer 1

【答案】（15分）

Ⅰ﹒4H2(g)+2NO2(g)＝N2(g)+4H2O(g) ΔH＝—1100.2kJ·mol—1（2分）

Ⅱ﹒⑴①低温（1分） ②DE（2分）

③

⑵①﹤（2分）②0.025mol·L—1·min—1（2分）不（2分）

⑶CH3OH—6e—+H2O＝CO2+6H+（2分）

【解析】

试题分析：Ⅰ。根据氢气的热值可书写氢气的热化学方程式是2H2(g)+ O2（g）＝H2O（l) △H＝-142.9×4kJ/mol=-571.6kJ/mol，根据盖斯定律，将已知热化学方程式中的氧气与液态水消去得到H2还原NO2生成水蒸气和氮气的热化学方程式，为4H2（g）+2NO2（g）＝N2（g）+4H2O（g）△H＝-1100.2kJ·mol-1； II、（1）①该反应的△S<0，所以若反应自发进行，则△H<0，因此反应自发进行的条件是低温自发；② a、该体系中的气体只有二氧化碳和氢气，且二者的起始物质的量之比等于化学方程式中的化学计量数之比，所以混合气体的平均式量始终不变，不能判断为平衡状态，错误；b、二氧化碳与氢气始终是1：3的关系，所以CO2和H2的体积分数保持不变的状态不是平衡状态，错误；c、二氧化碳与氢气的起始物质的量之比等于化学方程式中的化学计量数之比，所以二者的转化率一定相等，与是否达到平衡状态无关，错误；d 、因为该体系中有液体参加，所以气体的质量在逐渐减少，则气体的密度减小，达平衡时，保持不变，正确；e、1mol CO2生成的同时有3mol H-H键断裂，符合正逆反应速率相等，是平衡状态，答案选de；③在t2时将容器容积缩小一倍，二氧化碳的浓度瞬间增大到1mol/L，则压强增大，平衡正向移动， t3时达到平衡，达到的平衡与原平衡相同，浓度仍是0.5mol/L；该反应是放热反应，t4时降低温度，则平衡正向移动，t5时达到平衡，则二氧化碳的浓度将小于0.5mol/L，对应的图像见答案。（2）①因为生成甲醇的反应是放热反应，而反应II是从逆反应开始的，所以反应吸热，所以绝热容器的温度要低于恒温容器，即反应I温度高于反应II，温度升高，放热反应的平衡常数减小，则K(I)<K(II)；二者都是恒容条件，若是恒温恒容，二者达到的平衡是等效平衡，甲醇的浓度相同，而反应I温度高于反应II，所以反应II需再降低温度，而温度降低，平衡正向移动，则甲醇的浓度增大，平衡时CH3OH的浓度c(I)<c(II)；②对反应I，前10min内氢气的物质的量减少6-4.5=1.5mol，则甲醇的物质的量增加0.5mol，所以前10min内平均反应速率v(CH3OH)＝0.5mol/2L/10min="0.025mol" ·L-1·min-1； 30min时是平衡状态，生成甲醇1mol，则消耗氢气3mol，平衡氢气的物质的量是3mol，而改变温度后氢气的物质的量变为3.2mol，物质的量增大，说明平衡逆向移动，因为该反应是放热反应，所以升高温度，平衡逆向移动，则T1<T2；若30min时只向容器中再充入1 mol CO2(g)和1 mol H2O(g)，根据表中数据计算该温度下的平衡常数为K=1/6.75，此时Qc=1/6.75=K，所以平衡不移动。（3）甲醇在酸性条件下，负极发生氧化反应，CH3OH—6e—+H2O＝CO2+6H+；