题目内容
【题目】I、有科学家经过研究发现,用CO2和H2在210~290℃,催化剂条件下可转化生成甲醇蒸汽和水蒸气。
①230℃,向容器中投入0.5molCO2和1.5molH2,当转化率达80%时放出热量19.6kJ能量,写出该反应的热化学方程式_________ 。
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②一定条件下,往2L恒容密闭容器中充入1.0molCO2和3.0molH2,在不同催化剂作用下,相同时间内CO2的转化率随温度变化如图所示:催化剂效果最佳的是催化剂______ (填“I、Ⅱ、Ⅲ)。b点v(正) ____v(逆) (填>、< 、=)。此反应在a点时已达平衡状态, a点的转化率比c点高的原因是_______。已知容器内的起始压强为100kPa,则图中c点对应温度下反应的平衡常数Kp=________。(保留两位有效数字) (Kp为以分压表示的平衡常数,分压=总压×物质的量分数)。
II、汽车尾气中CO、NOx以及燃煤废气中的SO2都是大气污染物,对它们的治理具有重要意义。
(1)吸收SO2和NO,获得Na2S2O4和NH4NO3产品的流程图如图所示(Ce为铈元素)。
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装置Ⅱ中,酸性条件下NO被Ce4+氧化的产物主要是NO3-和NO2-,请写出生成NO3-和NO2-物质的量之比为2∶1时的离子方程式:________________________。
(2)装置Ⅲ的作用之一是用质子交换膜电解槽电解使得Ce4+再生,再生时生成的Ce4+在电解槽的____(填“阳极”或“阴极”),同时在另一极生成S2O42-的电极反应式为_________。
(3)已知进入装置Ⅳ的溶液中NO2-的浓度为a g·L-1,要使1.5 m3该溶液中的NO2-完全转化为NH4NO3,至少需向装置Ⅳ中通入标准状况下的氧气__________L(用含a代数式表示,结果保留整数,否则不给分)。
【答案】CO2(g)+3H2(g)
CH3OH(g)+H2O(g) △H= - 49kJ/mol 催化剂I > 该反应为放热反应,温度升高,平衡逆向移动 8.3×10-4或1/1200kPa-2 3NO+5H2O+7Ce4+=2NO3-+NO2-+10H++7Ce3+ 阳极 2H++2HSO3-+2e-=S2O42-+2H2O 365a
【解析】
I、①根据图1可知0.5molCO2和1.5molH2转化率达80%时放热23-3.4=19.6kJ,然后按比例计算△H并书写该反应的热化学方程式;②根据图像判断催化剂的效果;T3的b点未达到平衡,T4反应已经达到平衡,升高温度到T5平衡向逆反应移动,结合三段式计算平衡常数;
II、(1)NO被氧化为NO3-和NO2-,根据物质的量之比结合化合价的变化分析判断;
(2)生成Ce4+为氧化反应,发生在阳极上,阴极发生还原反应,HSO3-被还原生成S2O42-;
(3)NO2-的浓度为a gL-1,计算使1.5m3该溶液中的NO2-完全转化为NH4NO3失去的电子数,根据电子守恒进行计算。
I、①已知0.5molCO2和1.5molH2转化率达80%时放热23-3.4=19.6kJ,则该反应的热化学方程式:CO2(g)+3H2(g)
CH3OH(g)+H2O(g)△H=-
×2 kJmol-1=-49kJmol-1,则热化学方程式为CO2(g)+3H2(g)
CH3OH(g)+H2O(g)△H=-49kJ/mol,故答案为:CO2(g)+3H2(g)
CH3OH(g)+H2O(g)△H=-49kJ/mol;
②由图象知:反应Ⅰ在较低温度T3时CO2就达到80%的转化率,催化剂效果最佳的反应是反应Ⅰ,T3的b点时,反应未达到限度,故v(正)>v(逆);该反应为放热反应,T4反应已经达到平衡,升高温度到T5平衡向逆反应移动,从而使CO2的转化率降低。T4的a点转化率比T5的c点高,c点时:
CO2(g)+3H2(g)
CH3OH(g)+H2O(g)
起始(mol):13 00
转化(mol):0.61.8 0.60.6
平衡(mol):0.41.2 0.60.6
在恒容恒温条件下,气体的压强与气体的物质的量成正比,则平衡时总压强P总=100kPa×
=70kPa,该反应的平衡常数Kp=
=8.3×10-4kPa-2,故答案为:I;>;该反应为放热反应,温度升高,平衡逆向移动;8.3×10-4kPa-2;
II、(1)NO被氧化为NO3-和NO2-,且物质的量之比为2∶1,N元素化合价由+2价分别升高为+5价、+3价,Ce4+被还原为Ce3+,反应的离子方程式为3NO+5H2O+7Ce4+ ═2NO3-+NO2-+10H++7Ce3+,故答案为:3NO+5H2O+7Ce4+ ═2NO3-+NO2-+10H++7Ce3+;
(2)生成Ce4+为氧化反应,发生在阳极上,连接电源正极,阴极发生还原反应,HSO3-被还原生成S2O42-,电极方程式为2H++2HSO3-+2e-═S2O42-+2H2O,故答案为:阳极;2H++2HSO3-+2e- ═S2O42-+2H2O;
(3)NO2-的浓度为a gL-1,要使1.5m3该溶液中的NO2-完全转化为NH4NO3,则失去电子数目是:
,设消耗标况下氧气的体积是V,则失电子数目是:
×2×(2-0),由电子守恒可知
=
×2×(2-0),解得V=365a,故答案为:365a。