Question

【題目】工業燃燒煤、石油等化石燃料釋放出大量氮氧化物(NOx)、CO2、SO2等氣體，嚴重污染空氣。對廢氣進行脫硝、脫碳和脫硫處理可實現綠色環保、廢物利用。

Ⅰ﹒脫硝：

已知：H2的燃燒熱為285.8kJ·mol—1

N2(g)+2O2(g)＝2NO2(g) ΔH＝+133kJ·mol—1

H2O(g)＝H2O(l) ΔH＝—44kJ·mol—1

催化劑存在下，H2還原NO2生成水蒸氣和其他無毒物質的熱化學方程式為： ；

Ⅱ﹒脫碳：

向2L密閉容器中加入2molCO2和6molH2，在適當的催化劑作用下發生反應：

CO2(g)+3H2(g)CH3OH(l)+H2O(l) ΔH﹤0

⑴①該反應自發進行的條件是 （填“低溫”、“高溫”或“任意溫度”）

②下列敘述能說明此反應達到平衡狀態的是 （填字母）

A﹒混合氣體的平均相對分子質量保持不變

B﹒CO2和H2的體積分數保持不變

C﹒CO2和H2的轉化率相等

D﹒混合氣體的密度保持不變

E﹒1molCO2生成的同時有3molH—H鍵斷裂

③CO2的濃度隨時間（0～t2）變化如圖所示，在t2時將容器容積縮小一倍，t3時達到平衡，t4時降低溫度，t5時達到平衡，請畫出t2～t6CO2濃度隨時間的變化曲線。

⑵改變溫度，使反應CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g) ΔH﹤0中的所有物質都為氣態。起始溫度、體積相同（T1℃、2L密閉容器）。反應過程中部分數據見下表：

反應條件	反應時間	CO2(mol)	H2(mol)	CH3OH(mol)	H2O(mol)
反應Ⅰ：恒溫恒容	0min	2	6	0	0
	10min		4.5
	20min	1
	30min			1
反應Ⅱ：絕熱恒容	0min	0	0	2	2

①達到平衡時，反應Ⅰ、Ⅱ對比：平衡常數K(Ⅰ) K(Ⅱ)（填“﹥”“﹤”或“＝”）

②對反應Ⅰ，前10min內的平均反應速率v(CH3OH)＝ 。在其他條件不變的情況下，若30min時只向容器中再充入1molCO2(g)和1molH2O(g)，則平衡 移動(填“正向”“逆向”或“不”)。

⑶利用CO與H2可直接合成甲醇，下圖是由“甲醇—空氣”形成的綠色燃料電池的工作原理

示意圖，寫出以石墨為電極的電池工作時負極的電極反應式

Answer 1

【答案】（15分）

Ⅰ﹒4H2(g)+2NO2(g)＝N2(g)+4H2O(g) ΔH＝—1100.2kJ·mol—1（2分）

Ⅱ﹒⑴①低溫（1分） ②DE（2分）

③

⑵①﹤（2分）②0.025mol·L—1·min—1（2分）不（2分）

⑶CH3OH—6e—+H2O＝CO2+6H+（2分）

【解析】

試題分析：Ⅰ。根據氫氣的熱值可書寫氫氣的熱化學方程式是2H2(g)+ O2（g）＝H2O（l) △H＝-142.9×4kJ/mol=-571.6kJ/mol，根據蓋斯定律，將已知熱化學方程式中的氧氣與液態水消去得到H2還原NO2生成水蒸氣和氮氣的熱化學方程式，為4H2（g）+2NO2（g）＝N2（g）+4H2O（g）△H＝-1100.2kJ·mol-1； II、（1）①該反應的△S<0，所以若反應自發進行，則△H<0，因此反應自發進行的條件是低溫自發；② a、該體系中的氣體只有二氧化碳和氫氣，且二者的起始物質的量之比等于化學方程式中的化學計量數之比，所以混合氣體的平均式量始終不變，不能判斷為平衡狀態，錯誤；b、二氧化碳與氫氣始終是1：3的關系，所以CO2和H2的體積分數保持不變的狀態不是平衡狀態，錯誤；c、二氧化碳與氫氣的起始物質的量之比等于化學方程式中的化學計量數之比，所以二者的轉化率一定相等，與是否達到平衡狀態無關，錯誤；d 、因為該體系中有液體參加，所以氣體的質量在逐漸減少，則氣體的密度減小，達平衡時，保持不變，正確；e、1mol CO2生成的同時有3mol H-H鍵斷裂，符合正逆反應速率相等，是平衡狀態，答案選de；③在t2時將容器容積縮小一倍，二氧化碳的濃度瞬間增大到1mol/L，則壓強增大，平衡正向移動， t3時達到平衡，達到的平衡與原平衡相同，濃度仍是0.5mol/L；該反應是放熱反應，t4時降低溫度，則平衡正向移動，t5時達到平衡，則二氧化碳的濃度將小于0.5mol/L，對應的圖像見答案。（2）①因為生成甲醇的反應是放熱反應，而反應II是從逆反應開始的，所以反應吸熱，所以絕熱容器的溫度要低于恒溫容器，即反應I溫度高于反應II，溫度升高，放熱反應的平衡常數減小，則K(I)<K(II)；二者都是恒容條件，若是恒溫恒容，二者達到的平衡是等效平衡，甲醇的濃度相同，而反應I溫度高于反應II，所以反應II需再降低溫度，而溫度降低，平衡正向移動，則甲醇的濃度增大，平衡時CH3OH的濃度c(I)<c(II)；②對反應I，前10min內氫氣的物質的量減少6-4.5=1.5mol，則甲醇的物質的量增加0.5mol，所以前10min內平均反應速率v(CH3OH)＝0.5mol/2L/10min="0.025mol" ·L-1·min-1； 30min時是平衡狀態，生成甲醇1mol，則消耗氫氣3mol，平衡氫氣的物質的量是3mol，而改變溫度后氫氣的物質的量變為3.2mol，物質的量增大，說明平衡逆向移動，因為該反應是放熱反應，所以升高溫度，平衡逆向移動，則T1<T2；若30min時只向容器中再充入1 mol CO2(g)和1 mol H2O(g)，根據表中數據計算該溫度下的平衡常數為K=1/6.75，此時Qc=1/6.75=K，所以平衡不移動。（3）甲醇在酸性條件下，負極發生氧化反應，CH3OH—6e—+H2O＝CO2+6H+；