Question

7．乙醇汽油是被广泛使用的新型清洁燃料，工业生产乙醇的一种反应原理为：
2CO（g）+4H₂ （g）═CH₃CH₂OH（g）+H₂O（g）△H=256.1kJ•mol^-1
CO（g）+H₂O（g）═CO₂（g）+H₂（g）△H=41.2kJ•mol^-1
已知：H₂O（l）═H₂O（g）△H=+44kJ•mol^-1
（1）以CO₂（g）与H₂（g）为原料也可合成乙醇，其热化学方程式如下：
2CO₂（g）+6H₂（g）═CH₃CH₂OH（g）+3H₂O（l）△H=-305.7kJ•mol^-1．
（2）CH₄和H₂O（g）在催化剂表面发生反应CH₄+H₂OCO+3H₂，该反应在不同温度下的化学平衡常数如下表：

温度/℃	800	1000	1200	1400
平衡常数	0.45	1.92	276.5	1771.5

①该反应是吸热反应（填“吸热”或“放热”）；
②T℃时，向1L密闭容器中投入1molCH₄和1mol H₂O（g），平衡时c（CH₄）=0.5mol•L^-1，该温度下反应CH₄+H₂═OCO+3H₂的平衡常数K=6.75．
（3）汽车使用乙醇汽油并不能减少NO_x的排放，这使NO_x的有效消除成为环保领域的重要课题．某研究小组在实验室以Ag-ZSM-5 为催化剂，测得NO转化为N₂的转化率随温度变化情况如图
①若不使用CO，温度超过775℃，发现NO的分解率降低，其可能的原因为该反应是放热反应，升高温度反应更有利于向逆反应方向进行；在$\frac{n（NO）}{n（CO）}$=1的条件下，应控制的最佳温度在870℃左右．
②用C_xH_y（烃）催化还原NO_x也可消除氮氧化物的污染．写出CH₄与NO₂发生反应的化学方程式：CH₄+2NO₂=CO₂+N₂+2H₂O．
（4）乙醇-空气燃料电池中使用的电解质是搀杂了Y₂O₃的ZrO₂晶体，它在高温下能传导O^2-离子．该电池负极的电极反应式为CH₃CH₂OH-12e^-+6O^2-=2CO₂+3H₂O．

Answer 1

分析 （1）根据盖斯定律来解答：一个反应不论是一步完成的还是几步完成的，其热效应总是相同的（反应热的总值相等）；
（2）①图表数据分析平衡常数随温度升高增大，说明升温平衡正向进行，正反应为吸热反应；
②T℃时，向1L密闭容器中投入1molCH₄和1mol H₂O（g），平衡时c（CH₄）=0.5mol•L^-1，
                 CH₄+H₂O=CO+3H₂，
起始量（mol/L）  1    1    0    0
变化量（mol/L） 0.5  0.5  0.5  1.5
平衡量（mol/L） 0.5   0.5   0.5  1.5
平衡常数=等于生成物平衡浓度幂次方乘积除以反应物平衡浓度幂次方乘积；
（3）①升高温度，发现NO的分解率降低，说明反应向逆反应方向进行，该反应放热；
②CH₄与NO₂发生反应生成二氧化碳、氮气和水；
（4）乙醇在燃料电池的负极失去12个电子，发生氧化反应生成二氧化碳，用传导离子O^2-离子配平电荷守恒、原子守恒写出电极反应．

解答 解：（1）已知反应：2CO（g）+4H₂（g）?CH₃CH₂OH（g）+H₂O（g）△H=256.1kJ•mol^-1 ①
                    CO（g）+H₂O（g）═CO₂（g）+H₂（g）△H=41.2kJ•mol^-1 ②
                    H₂O（l）═H₂O（g）△H=+44kJ•mol^-1 ③
根据盖斯定律可知，将①-2×③-3×②可得：
2CO₂（g）+6H₂（g）?CH₃CH₂OH（g）+3H₂O（l）△H=-305.7KJ，
故答案为：-305.7 kJ•mol^-1；
（2）①温度升高，平衡常数增大即平衡向正反应方向移动，故该反应为吸热反应，故答案为：吸热；
②T℃时，向1L密闭容器中投入1molCH₄和1mol H₂O（g），平衡时c（CH₄）=0.5mol•L^-1，
                 CH₄+H₂O=CO+3H₂，
起始量（mol/L）  1    1    0    0
变化量（mol/L） 0.5  0.5  0.5  1.5
平衡量（mol/L） 0.5   0.5   0.5  1.5
该温度K=$\frac{[CO][{H}_{2}]^{3}}{[C{H}_{4}][{H}_{2}O]}$=$\frac{0.5×1．{5}^{3}}{0.5×0.5}$=6.75，
故答案为：6.75；
（3）①升高温度，发现NO的分解率降低，说明反应向逆反应方向进行，该反应放热；由图可知，在$\frac{n（NO）}{n（CO）}$=1的条件下，870℃时，NO还原为N₂的转化率为100%，
故答案为：该反应是放热反应，升高温度反应更有利于向逆反应方向进行；870℃；
②CH₄与NO₂发生反应生成无毒的N₂、CO₂和H₂O，反应为CH₄+2NO₂=CO₂+N₂+2H₂O，故答案为：CH₄+2NO₂=CO₂+N₂+2H₂O；
（4）乙醇在燃料电池的负极失去12个电子，发生氧化反应，电极反应式为CH₃CH₂OH-12e^-+6O^2-=2CO₂+3H₂O，故答案为：CH₃CH₂OH-12e^-+6O^2-=2CO₂+3H₂O．

点评 本题考查盖斯定律的应用、放热反应与吸热反应、热化学方程式的书写、原电池原理，难度中等．根据图象分析出分解率的变化特点是解题的关键．