Question

【題目】工業(yè)燃燒煤、石油等化石燃料釋放出大量氮氧化物(NOx)、CO2、SO2等氣體，嚴(yán)重污染空氣。對(duì)廢氣進(jìn)行脫硝、脫碳和脫硫處理可實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保、廢物利用。

Ⅰ.脫硝：

已知：H2的燃燒熱為285.8 kJ·mol-1

N2(g)+2O2(g) =2NO2(g) ΔH = +133 kJ·mol-1

H2O(g) = H2O(l) ΔH =－44 kJ·mol-1

催化劑存在下，H2還原NO2生成水蒸氣和其他無(wú)毒物質(zhì)的熱化學(xué)方程式為：__________________________。

Ⅱ.脫碳：

（1）向2L密閉容器中加入2molCO2和6molH2，在適當(dāng)?shù)拇呋瘎┳饔孟拢�發(fā)生反應(yīng)：CO2(g)+3H2(g)CH3OH(l)+H2O(l)

①該反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行的條件是_____________(填“低溫”、“高溫”或“任意溫度”)。

②下列敘述能說(shuō)明此反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)的是____________。(填字母)

a.混合氣體的平均摩爾質(zhì)量保持不變 b.CO2和H2的體積分?jǐn)?shù)保持不變

c.CO2和H2的轉(zhuǎn)化率相等 d.混合氣體的密度保持不變

e.1molCO2生成的同時(shí)有3mol H—H鍵斷裂

③CO2的濃度隨時(shí)間（0～t2）變化如下圖所示，在t2時(shí)將容器容積縮小一倍，t3時(shí)達(dá)到平衡，t4時(shí)降低溫度，t5時(shí)達(dá)到平衡，請(qǐng)畫出t2～t6 CO2濃度隨時(shí)間的變化。________________________

（2）改變溫度，使反應(yīng)CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g) ΔH﹤0中的所有物質(zhì)都為氣態(tài)。起始溫度、體積相同（T1℃、2L密閉容器）。反應(yīng)過(guò)程中部分?jǐn)?shù)據(jù)見(jiàn)下表：

	反應(yīng)時(shí)間	CO2(mol)	H2(mol)	CH3OH(mol)	H2O(mol)
反應(yīng)Ⅰ：恒溫恒容	0min	2	6	0	0
	10min		4.5
	20min	1
	30min			1
反應(yīng)Ⅱ：絕熱恒容	0min	0	0	2	2

①達(dá)到平衡時(shí)，反應(yīng)Ⅰ、Ⅱ?qū)Ρ龋浩胶獬��?shù)K(I)______ K(II)（填“﹥”、“﹤”或“＝”下同）；平衡時(shí)CH3OH的濃度c(I)____ c(II)。

②對(duì)反應(yīng)Ⅰ，前10min內(nèi)的平均反應(yīng)速率v(CH3OH) =______________ 。在其他條件不變的情況下，若30min時(shí)只改變溫度T2℃，此時(shí)H2的物質(zhì)的量為3.2mol，則T1___T2(填“>”、“<”或“=”)。若30min時(shí)只向容器中再充入1molCO2(g)和1molH2O(g)，則平衡_____移動(dòng)(填“正向”、“逆向”或“不”)。

（3）利用人工光合作用可將CO2轉(zhuǎn)化為甲酸，反應(yīng)原理為2CO2+2H2O=2HCOOH+O2，裝置如圖所示：

①電極2的電極反應(yīng)式是____________；

②在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，當(dāng)電極2室有11.2L CO2反應(yīng)。 理論上電極1室液體質(zhì)量_____(填“增加”或“減少”)______g。

Answer 1

【答案】 4H2(g)+2NO2(g)＝N2(g)+4H2O(g) △H＝—1100.2kJ·mol-1 低溫 d e < < 0.025 mol·L-1 ·min-1 < 不 CO2+2H++2e－=HCOOH 減少 9

【解析】I、根據(jù)氫氣的熱值可書寫氫氣的熱化學(xué)方程式為2H2(g)+ O2（g）＝H2O（l) △H＝-142.9×4kJ/mol=-571.6kJ/mol，根據(jù)蓋斯定律，將已知熱化學(xué)方程式中的氧氣與液態(tài)水消去得到H2還原NO2生成水蒸氣和氮?dú)獾臒峄瘜W(xué)方程式，為4H2（g）+2NO2（g）＝N2（g）+4H2O（g）△H＝-1100.2kJ·mol-1；

II、（1）①該反應(yīng)的△S<0，所以若反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行，則△H<0，因此根據(jù)△G=△H－T△S可知反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行的條件是低溫自發(fā)；②a、該體系中的氣體只有二氧化碳和氫氣，且二者的起始物質(zhì)的量之比等于化學(xué)方程式中的化學(xué)計(jì)量數(shù)之比，所以混合氣體的平均式量始終不變，不能判斷為平衡狀態(tài)，a錯(cuò)誤；b、二氧化碳與氫氣始終是1：3的關(guān)系，所以CO2和H2的體積分?jǐn)?shù)保持不變的狀態(tài)不是平衡狀態(tài)，b錯(cuò)誤；c、二氧化碳與氫氣的起始物質(zhì)的量之比等于化學(xué)方程式中的化學(xué)計(jì)量數(shù)之比，所以二者的轉(zhuǎn)化率一定相等，與是否達(dá)到平衡狀態(tài)無(wú)關(guān)，c錯(cuò)誤；d 、因?yàn)樵擉w系中有液體參加，所以氣體的質(zhì)量在逐漸減少，則氣體的密度減小，達(dá)平衡時(shí)，保持不變，d正確；e、1mol CO2生成的同時(shí)有3mol H-H鍵斷裂，符合正逆反應(yīng)速率相等，是平衡狀態(tài)，e正確。答案選de；③在t2時(shí)將容器容積縮小一倍，二氧化碳的濃度瞬間增大到1mol/L，則壓強(qiáng)增大，平衡正向移動(dòng)， t3時(shí)達(dá)到平衡，達(dá)到的平衡與原平衡相同，濃度仍是0.5mol/L；該反應(yīng)是放熱反應(yīng)，t4時(shí)降低溫度，則平衡正向移動(dòng)，t5時(shí)達(dá)到平衡，則二氧化碳的濃度將小于0.5mol/L，對(duì)應(yīng)的圖像為。

（2）①因?yàn)樯�成甲醇的反�?yīng)是放熱反應(yīng)，而反應(yīng)II是從逆反應(yīng)開(kāi)始的，所以反應(yīng)吸熱，絕熱容器的溫度要低于恒溫容器，即反應(yīng)I溫度高于反應(yīng)II，溫度升高，放熱反應(yīng)的平衡常數(shù)減小，則K(I)<K(II)；二者都是恒容條件，若是恒溫恒容，二者達(dá)到的平衡是等效平衡，甲醇的濃度相同，而反應(yīng)I溫度高于反應(yīng)II，所以反應(yīng)II需再降低溫度，而溫度降低，平衡正向移動(dòng)，則甲醇的濃度增大，平衡時(shí)CH3OH的濃度c(I)<c(II)；②對(duì)反應(yīng)I，前10min內(nèi)氫氣的物質(zhì)的量減少6mol-4.5mol=1.5mol，則甲醇的物質(zhì)的量增加0.5mol，所以前10min內(nèi)平均反應(yīng)速率v(CH3OH)＝0.5mol/(2L×10min)＝0.025mol ·L-1·min-1；30min時(shí)是平衡狀態(tài)，生成甲醇1mol，則消耗氫氣3mol，平衡時(shí)氫氣的物質(zhì)的量是3mol，而改變溫度后氫氣的物質(zhì)的量變?yōu)?/span>3.2mol，物質(zhì)的量增大，說(shuō)明平衡逆向移動(dòng)，因?yàn)樵摲磻?yīng)是放熱反應(yīng)，所以升高溫度，平衡逆向移動(dòng)，則T1<T2；若30min時(shí)只向容器中再充入1 mol CO2(g)和1 mol H2O(g)，根據(jù)表中數(shù)據(jù)計(jì)算該溫度下的平衡常數(shù)為K=1/6.75，此時(shí)Qc=1/6.75=K，所以平衡不移動(dòng)。

（3）①離子交換膜為質(zhì)子膜，則電解質(zhì)溶液呈酸性，根據(jù)總的電池反應(yīng)為2H2O + 2CO2＝2HCOOH + O2可知，該反應(yīng)中C元素化合價(jià)由+4價(jià)變?yōu)?/span>+2價(jià)，O元素化合價(jià)由-2價(jià)變?yōu)?/span>0價(jià)，所以1是負(fù)極、2是正極，（也可根據(jù)裝置圖中電子的流向判斷1是負(fù)極、2是正極），負(fù)極上水失電子生成氫離子和氧氣，判斷電極1電極反應(yīng)：2H2O-4e-＝O2+4H+，酸性增強(qiáng)，H+通過(guò)質(zhì)子膜進(jìn)入到電極2區(qū)域；電極2通入二氧化碳，酸性條件下生成HCOOH，電極反應(yīng)：CO2+2H++2e-＝HCOOH；②從總反應(yīng)看，每消耗1molCO2，就會(huì)消耗1molH2O，現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)狀況下，11.2L CO2即0.5mol反應(yīng)，那就會(huì)消耗0.5molH2O即電極1室液體質(zhì)量減少9g。