Question

8．工业燃烧煤、石油等化石燃料释放出大量NO_x、CO、CO₂等气体，严重污染空气，对废气进行脱硝，脱碳等处理可实现绿色环保、废物利用．
Ⅰ、脱硝：
已知：①H₂的热值为142.9kJ/g（热值是表示单位质量的燃料完全燃烧生成稳定的化合物时所放出的热量）；
②N₂（g）+2O₂（g）═2NO₂（g）△H=+133kJ/mol
③H₂O（g）═H₂O（1）△H=-44kJ/mol
则催化剂存在下，H₂还原NO₂生成水蒸气和其他无毒物质的热化学方程式为4H₂（g ）+2NO₂（ g）=N₂（g ）+4H₂O（g）△H=-1100.2KJ/mol；
Ⅱ、脱碳
（1）CO与空气可设计成燃料电池（以熔融的碳酸盐为电解质）．写出该电池的负极反应式：CO-2e^-+CO₃^2-=2CO₂．
（2）甲醇是一种可再生能源，工业上可用合成气制备甲醇，反应为CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）．某温度下在容积为VL的密闭容器中进行反应，其相关数据如图；反应开始至平衡时，用H₂表示化学反应速率为$\frac{0.12}{V}$mol （ L•min ）．该温度下CO的平衡转化率为60%．
（3）向1L密闭容器中加入1molCO₂、3molH₂，在适当的条件下，发生反应CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）．
①下列叙述能说明此反应达到平衡状态的是abe．
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生成的同时又3molH-H键断裂
②相同条件下，在容积都为1L且固定的两个密闭容器中，按如下方式加入反应物，一段时间后反应达到平衡．

容器	甲	乙
反应物投入量	1mol CO2、3molH2	amol CO2、3amolH2 bmolCH3OH（g）、bmolH2O（g）

若甲中平衡后气体的压强为开始的0.6倍，要使平衡后乙与甲中相同组分的体积分数相等，且起始时维持化学反应向逆向反应方向进行，则b的取值可能为b （填序号）
a.0.7           b.0.9          c.1.2
若保持温度不变，起始加入0.5molCO₂、0.5molH₂、0.5molCH₃OH（g）、0.5molH₂O（g） 则此反应速率的关系：v_正＞ v_逆．（填“＞”、“＜”或“=”）

Answer 1

分析 Ⅰ、脱硝：已知：H₂的热值为142.9KJ•g^-1，燃烧热为285.8KJ/mol，
①H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=H₂O（l）△H=-285.8KJ/mol
②N₂（g）+2O₂（g）=2NO₂（g）△H=+133kJ•mol^-1
③H₂O（g）=H₂O（l）△H=-44kJ•mol^-1
①×4-②-③×4得到催化剂存在下，H₂还原NO₂生成水蒸气和其它无毒物质的热化学方程式为4H₂（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+4H₂O（g）；
Ⅱ．（1）依据盖斯定律计算可以计算要求反应的焓变，再根据热化学方程式的书写方法得到热化学方程式即可；
该燃料电池中，通入燃料的电极是负极，通入氧化剂的电极是正极，电解质为熔融碳酸钾，负极上CO失电子和碳酸根离子反应生成二氧化碳
（2）图象中氢气变化物质的量2.0mol-0.8mol=1.2mol，氢气反应速率v=$\frac{△c}{△t}$=，反应为CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g），反应的一氧化碳物质的量0.6mol，转化率=$\frac{消耗量}{起始量}$×100%；
（3）①平衡标志是正逆反应速率相同，个组分含量保持不变，原则是变量不变分析选项；
②利用三段式，根据等效平衡的思想可答题设平衡时二氧化碳转化了xmol，
　　　　        CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g），
开始1（mol）：1 　　     3                   0 　      　 0
变化1（mol）：x           3x                  x                  x
平衡1（mol）：1-x       3-3x               x                  x
开始2　　　 a              3a                 b                b；
若保持温度不变，起始加入0.5molCO₂、0.5molH₂、0.5molCH₃OH（g）、0.5molH₂O（g），计算浓度商和平衡常数比较判断此反应速率的关系．

解答 解：Ⅰ． 已知：H₂的热值为142.9KJ•g^-1，燃烧热为285.8KJ/mol，
①H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=H₂O（l）△H=-285.8KJ/mol
②N₂（g）+2O₂（g）=2NO₂（g）△H=+133kJ•mol^-1
③H₂O（g）=H₂O（l）△H=-44kJ•mol^-1
①×4-②-③×4得到催化剂存在下，H₂还原NO₂生成水蒸气和其它无毒物质的热化学方程式为4H₂（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+4H₂O（g）△H=-1100.2kJ•mol^-1；
故答案为：4H₂（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+4H₂O（g）△H=-1100.2kJ•mol^-1；
Ⅱ．脱碳：（1）该燃料电池中，通入燃料的电极是负极，通入氧化剂的电极是正极，电解质为熔融碳酸钾，负极上CO失电子和碳酸根离子反应生成二氧化碳，电极反应式为CO-2e^-+CO₃^2-=2CO₂，
故答案为：CO-2e^-+CO₃^2-=2CO₂；
（2）图象中氢气变化物质的量2.0mol-0.8mol=1.2mol，10分钟大多平衡状态，氢气反应速率v=$\frac{△c}{△t}$=$\frac{\frac{1.2mol}{VL}}{10min}$=$\frac{0.12}{V}$mol/（L•min），反应为CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g），反应的一氧化碳物质的量0.6mol，转化率=$\frac{消耗量}{起始量}$×100%=$\frac{0.6mol}{1mol}$×100%=60%，
故答案为：$\frac{0.12}{V}$mol （ L•min ）；60%；
（3）①发生反应CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）．
a、反应前后气体物质的量变化，气体质量不变，混合气体的平均式量始终保持不变，能说明反应达到平衡状态，故a正确；
b、CO₂和H₂的体积分数保持不变是平衡标志，故b正确；
c、向2L密闭容器中加入2mol CO₂、6mol H₂，按照1：3反应，CO₂和H₂的转化率始终相等，不能确定反应是否达到平衡状态，故c错误；
d、反应前后气体质量和体积不变，混合气体的密度保持不变，不能说明反应达到平衡状态，故d错误；
e、1mol CO₂生成的同时有3mol H-H键断裂，说明正逆反应速率相同，反应达到平衡状态，故e正确；
故答案为：a b e；
②设平衡时二氧化碳转化了xmol，
　　　　　  　CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g），
开始1（mol）：1 　　     3                  0 　            　 0
变化1（mol）：x            3x                 x                     x
平衡1（mol）：1-x        3-3x              x                      x
开始2　　　 a              3a               b                       b
则由题意可知：$\frac{x+x+1-x+3-3x}{1+3}$=0.6，
解得x=0.8，
平衡常数K=$\frac{0.8×0.8}{0.2×（3-2.4）^{3}}$=14.8，
根据恒温恒容条件下的等效平衡的思想则有开始1和开始2为完全等效，即a+b=1，要使反应始终向逆向进行，则b＞x，故a的范围为小于等于1大于0.8，
0.8＜b≤1，故选b，
若保持温度不变，起始加入0.5molCO₂、0.5molH₂、0.5molCH₃OH（g）、0.5molH₂O（g），Qc=$\frac{0.5×0.5}{0.5×0．{5}^{3}}$=4＜K，则此反应速率的关系v_正＞v_逆．
故答案为：b；＞．

点评 本题主要考查了热化学方程式的书写、电极反应的书写、化学平衡的计算及氧化还原反应方程式的书写，综合性较强，题目难度中等．