Question

2．能源、环境与人类生活密切相关，研究它们的综合利用有重要意义．
Ⅰ．二甲醚可代替汽油作新型清洁燃料．常温常压下，二氧化碳加氢可选择性生产二甲醚（CH₃OCH₃）或一氧化碳．已知二甲醚、氢气的燃烧热分别为-1455kJ/mol，-285.8kJ/mol
（1）写出CO₂加氢转化为CH₃OCH₃（g）和H₂O（l）的热化学方程式2CO₂（g）+6H₂（g）=CH₃OCH₃（g）+3H₂O（l）△H=-259.8kJ•mol^-1，该反应的平衡常数的表达式为）
$\frac{c（C{H}_{3}OC{H}_{3}）}{{c}^{2}（C{O}_{2}）{c}^{6}（{H}_{2}）}$．．
（2）等物质的量的CO和H₂在一定条件下可合成CH₃OCH₃，同时还产生了一种可参与大气循环的无机化合物，该反应的化学方程式为：3CO+3H₂═CH₃OCH₃+CO₂．
（3）二甲醚燃料电池原理如图1所示

①M区发生的电极反应式为CH₃OCH₃+3H₂O-12e^-=2CO₂+12H⁺．
②用上述电池做电源，用图2装置电解饱和氯化钾溶液（电极均为惰性电极），设饱和氯化钾溶液体积为500mL，当溶液的pH值变为13时（在常温下测定），若该燃料电池的能量利用率为80%，则需消耗CH₃OCH₃的质量为0.24g（假设溶液电解前后体积不变，保留2位有效数字）．
Ⅱ．硝化法是一种古老的生产硫酸的方法，同时实现了氮氧化物的循环转化，主要反应为：NO₂（g）+SO₂（g）?SO₃（g）+NO（g）△H=-41.8kJ•mol^-1
（1）下列说法中可以说明该反应已达到平衡状态的是bd
a．体系内混合气体的密度保持不变       h．v（NO₂）_正=v（SO₃）_逆
c．容器内气体的总压强保持不变         d．NO体积分数不再改变
（2）某温度下，NO₂（g）+SO₂（g）?SO₃（g）+NO（g）的平衡常数K=$\frac{9}{4}$，该温度下在甲、乙、丙三个体积为2L的恒容密闭容器中，投入NO₂（g）和SO₂（g），其起始浓度如表所示，

起始浓度	甲	乙	丙
c（NO2）/mol•L-1	0.10	0.20	0.20
c（SO2）/mol•L-1	0.10	0.10	0.20

①10min后，甲中达到平衡，则甲中反应的平均速率v（NO₂）=0.006mol/（L•min）．
②丙达到平衡所用的时间＜10min（填“＜”“＞”“=”），达到平衡后，设甲、乙、丙中SO₂（g）的转化率分别为a、b、c，则三者的大小关系为a=c＜b．

Answer 1

分析 I、（1）根据二甲醚、氢气的燃烧热分别为-1455kJ/mol，-285.8kJ/mol写出热化学方程式：CH₃OCH₃（g）+3O₂（g）=2CO₂（g）+3H₂O（l）△H=-1455kJ/mol①
H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═H₂O（l）△H=-285.8kJ/mol②
将②×6-①可得2CO₂（g）+6H₂（g）=CH₃OCH₃（g）+3H₂O（l）据此求出△H；
反应的平衡常数的表达式K=$\frac{生成物的平衡浓度的幂之积}{反应物的平衡浓度的幂之积}$；
（2）等物质的量的CO和H₂在一定条件下可合成CH₃OCH₃，同时还产生了一种可参与大气循环的无机化合物，即二氧化碳，据此写出化学方程式；
（3）①由于氢离子移向N极，故N极为正极，M极为负极，故可燃物CH₃OCH₃放电生成二氧化碳，结合酸性环境来配平；
②该燃料电池的能量利用率为80%，即电池转移电子的80%=电解中转移电子，结合电子转移守恒计算．
II、（1）当一个量在平衡之前在变化，而后来不变了，则这个量可以作为平衡的标志；
（2）①根据反应中NO₂（g）和SO₂（g）的起始浓度分别为0.1mol/L，设在10min达到平衡时，NO₂浓度的该变量为x，根据三段式结合平衡常数来分析；
②由于容器体积相同，故丙中反应物的浓度大于甲，据此分析反应速率；由于是气体体积不变的反应，故甲和丙为等效平衡，而乙相当于是向甲容器中加入NO₂，据此分析．

解答 解：I、（1）根据二甲醚、氢气的燃烧热分别为-1455kJ/mol，-285.8kJ/mol可知热化学方程式：
CH₃OCH₃（g）+3O₂（g）=2CO₂（g）+3H₂O（l）△H=-1455kJ/mol①
H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═H₂O（l）△H=-285.8kJ/mol②
将②×6-①可得2CO₂（g）+6H₂（g）=CH₃OCH₃（g）+3H₂O（l）△H=（-285.8kJ/mol）×6-（-1455kJ/mol）=-259.8kJ•mol^-1；
反应的平衡常数的表达式K=$\frac{生成物的平衡浓度的幂之积}{反应物的平衡浓度的幂之积}$=$\frac{c（C{H}_{3}OC{H}_{3}）}{{c}^{2}（C{O}_{2}）{c}^{6}（{H}_{2}）}$；
故答案为：2CO₂（g）+6H₂（g）=CH₃OCH₃（g）+3H₂O（l）△H=-259.8kJ•mol^-1；$\frac{c（C{H}_{3}OC{H}_{3}）}{{c}^{2}（C{O}_{2}）{c}^{6}（{H}_{2}）}$；
（2）等物质的量的CO和H₂在一定条件下可合成CH₃OCH₃，同时还产生了一种可参与大气循环的无机化合物，即二氧化碳，故化学方程式为：3CO+3H₂=CH₃OCH₃+CO₂，故答案为：3CO+3H₂=CH₃OCH₃+CO₂；
（3）①由氢离子的移动方向可知，M区为负极，发生的电极反应式为CH₃OCH₃+3H₂O-12e^-=2CO₂+12H⁺，故答案为：CH₃OCH₃+3H₂O-12e^-=2CO₂+12H⁺；
②用惰性电极，电解饱和KCl总的电极反应式为2Cl^-+2H₂O$\frac{\underline{\;电解\;}}{\;}$H₂↑+Cl₂↑+2OH^-，pH值变为13时，c（OH^-）=0.1mol/L，n（OH^-）=0.1mol/L×0.5L=0.05mol，
CH₃OCH₃～12e^-～12OH^-
 46g          12mol
x×80%        0.05mol，
解得x=0.24g，
故答案为：0.24．
故答案为：0.24g；
II、（1）a．由于反应是气体体积不变的反应，且全部是气体，故体系内混合气体的密度一直保持不变，故不能作为平衡的标志，故a错误；
    b．反应中v（NO₂）_正=v（SO₃）_正一直存在，而只有平衡时才有v（SO₃）_正=v（SO₃）_逆，故只有平衡时才有v（NO₂）_正=v（SO₃）_逆，故当v（NO₂）_正=v（SO₃）_逆时
，反应达平衡，故b正确；
c．由于反应是气体体积不变的反应，故容器内气体的总物质的量一直不变，则总压强一直保持不变，故不能作为反应达平衡的标志，故c错误；
d．在反应未平衡前，NO的消耗和生成速率不同，故NO体积分数会改变，当NO的体积分数不变时，说明反应达平衡，故d正确．
故选bd．
（2）①根据反应中NO₂（g）和SO₂（g）的起始浓度分别为0.1mol/L，设在10min达到平衡时，NO₂浓度的该变量为x，根据三段式可知：
               NO₂（g）+SO₂（g）?SO₃（g）+NO（g）
初始（mol/L）：0.1            0.1           0           0
△C：x              x            x           x
平衡：0.1-x           0.1-x         x           x
根据平衡常数为$\frac{9}{4}$可知：$\frac{9}{4}$=$\frac{{x}^{2}}{（0.1-x）^{2}}$      解得x=0.06mol/L．
则平均速率v（NO₂）=$\frac{0.06mol/L}{10min}$=0.006mol/（L•min），故答案为：0.006mol/（L•min）；
②由于容器体积相同，且反应为气体体积不变的反应，故按照等比加料，达到的是等效平衡，故甲和丙为等效平衡，即丙中所达的平衡状态和甲相同，而由于丙中反应物的浓度大于甲，故反应速率比甲快，到达平衡的时间比10min短；由于甲和丙为等效平衡，故甲、丙中SO₂（g）的转化率相等，而乙相当于是向甲容器中加入NO₂，据故SO₂的转化率大于甲，故三个容器中的转化率的关系为a=c＜b．故答案为：＜；a=c＜b．

点评 本题综合考查了热化学方程式的书写、燃料电池和反应速率的计算、化学平衡等问题，综合性较强，是高考的常见题型，应注意掌握．