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、CO、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的熱值為142.9 kJ/g(熱值是表示單位質量的燃料完全燃燒時所放出的熱量)；

N2(g) + 2O2(g) = 2NO2(g) △H= +133 kJ/mol

H2O(g) =H2O(l) △H=- 44 kJ/mol

催化劑存在下，H2還原NO2生成水蒸氣和N2的熱化學方程式為_____

Ⅱ.脫碳：

(1)向2L恒容密閉容器中加入2 mol CO2、6 mol H2，在適當的催化劑作用下，發生反應:

CO2(g)+3H2(g)CH3OH(l)+H2O(l)。下列敘述能說明此反應達到平衡狀態的是________。

A．混合氣體的平均摩爾質量保持不變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.1 mol CO2生成的同時有3 mol H—H鍵斷裂

(2)改變溫度，使反應CO2(g) + 3H2(g)CH3OH(g) + H2O(g)△H<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：

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

①達到平衡時，反應I、II對比：平衡時CH3OH的濃度c(I)___________c(II)。(填“>”“<”或“=”，下同)；將反應I的條件改為絕熱恒容，平衡時的平衡常數與反應I的比較_________(填“增大”“減小”或“不變”)

②對反應Ⅰ，前10min內的平均反應速率v(CH3OH)=________ ,在其他條件不變下，將溫度改為T2,測得30min時，H2的物質的量為3.2mol,則T1____T2(填“>”“<”或“=”)若30min時只向容器中再沖入1molCO2(g)和1molH2O(g),則平衡_______移動(填“正向”、“逆向”或“不”)

(3)甲烷燃料電池可以提升能量利用率。下圖是利用甲烷燃料電池電解100mL 1mol·L -1食鹽水,電解一段時間后,收集到標準狀況下的氫氣2.24L(設電解后溶液體積不變)。

①甲烷燃料電池的負極反應式: ____________________________________

②電解后溶液的pH= __________________________(忽略氯氣與氫氧化鈉溶液反應)。

Answer 1

【答案】4H2(g)+2NO2(g)==N2(g)+4H2O(g) △H= -1100.2 kJ/mol DE = 減小 0.025mol/(L.min) < 不 CH4+2H2O-8e-=CO2+8H+ 14

【解析】

Ⅰ、依據題意書寫出氫氣燃燒的熱化學方程式，再根據蓋斯定律處理得到目標熱化學方程式；

Ⅱ、(1)平衡標志是正逆反應速率相等，各組分含量保持不變，據此分析各選項；

(2)①CO2(g)+3H2(g)═CH3OH(g)+H2O(g)△H＜0，反應Ⅰ中2mol CO2、6mol H2和反應Ⅱ中2mol CH3OH(g)、2mol H2O(g)等效；將反應I的條件改為絕熱恒容，反應后溫度升高，結合溫度對平衡的影響分析判斷；

②反應速率v=計算得到氫氣反應速率，再根據速率之比等于化學方程式計量數之比計算甲醇反應速率；依據平衡三段式列式計算分析平衡狀態的物質的量，結合平衡的影響因素分析判斷；

(3)①原電池負極發生氧化反應，甲烷在負極通入，酸性條件下，發生氧化反應生成CO2、H+；

②根據氯化鈉的物質的量及電解方程式來求溶液中生成的氫氧根離子濃度，再計算出溶液的pH。

Ⅰ． 已知：H2的熱值為142.9kJg-1 ，則燃燒熱為285.8kJ/mol，因此①H2(g)+O2(g)=H2O(l) △H=-285.8kJ/mol，②N2(g)+2O2(g)=2NO2(g) △H=+133 kJ/mol，③H2O(g)=H2O(l) △H=-44 kJ/mol，根據蓋斯定律，將①×4-②-③×4得到催化劑存在下，H2還原NO2生成水蒸氣和N2的熱化學方程式為4H2(g)+2NO2(g)=N2(g)+4H2O(g)△H=-1100.2kJmol-1，故答案為：4H2(g)+2NO2(g) = N2(g)+4H2O(g) △H=-1100.2kJmol-1；

Ⅱ．(1)向2L恒容密閉容器中加入2 mol CO2、6 mol H2，在適當的催化劑作用下，發生反應CO2(g)+3H2(g)CH3OH(l)+H2O(l)。A、混合氣體的平均摩爾質量始終保持不變，不能說明反應達到平衡狀態，故A錯誤； B、向2L密閉容器中加入2mol CO2、6mol H2，按照1∶3反應，由于生成物不是氣體，所以過程中CO2和H2的體積分數始終保持不變，不能說明反應達到平衡狀態，故B錯誤；C、向2L密閉容器中加入2mol CO2、6mol H2，按照1∶3反應，CO2和H2的轉化率始終相等，不能確定反應是否達到平衡狀態，故C錯誤；D、反應物是氣體，生成物是液體，反應過程中氣體的質量減小而體積不變，故混合氣體的密度是變量，當混合氣體的密度保持不變時，能夠說明反應達到平衡狀態，故D正確；E、1mol CO2生成的同時有3mol H-H鍵斷裂，說明正、逆反應速率相同，反應達到平衡狀態，故E正確；故答案為：DE；

(2)①根據反應CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)△H＜0，反應Ⅰ中2mol CO2、6mol H2和反應Ⅱ中2mol CH3OH(g)、2mol H2O(g)等效，平衡時達到相同的平衡狀態，即CH3OH的濃度c(I)= c(II)；將反應I的條件改為絕熱恒容，反應后溫度升高，相當于反應I在恒溫恒容容器中達到平衡后，升高溫度，平衡逆向移動，平衡常數減小，故答案為：=；減小；

② CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g)

起始量(mol) 2 6 0 0

變化量(mol) 1 3 1 1

30min量(mol) 1 3 1 1

對反應I，前10min內的平均反應速率v(CH3OH)=v(H2)=×(6-4.5)mol2L10min =0.025molL-1min-1；若30min時只改變溫度為T2℃，此時H2的物質的量為3.2mol，氫氣增加，說明平衡逆向移動，溫度升高，即T2＞T1，若30min時只向容器中再充入1mol CO2(g)和1mol H2O(g)，對正逆反應的影響程度相同，平衡不移動，故答案為：0.025molL-1min-1 ；＜；不；

(3)①原電池負極發生氧化反應，甲烷在負極通入，酸性條件下，發生氧化反應生成CO2、H+，負極的電極反應式為：CH4-8e-+2H2O=CO2+8H+，故答案為：CH4-8e-+2H2O=CO2+8H+；

②標況下2.24L氫氣的物質的量為0.1mol，100mL 1mol/L食鹽水中含有氯化鈉0.1mol，根據反應方程式2NaCl+2H2O2NaOH+H2↑+Cl2↑可知，電解0.1molNaCl生成0.1mol氫氧化鈉和0.05mol氫氣，同時生成0.05mol氯氣，因此需要繼續電解水，即氯化鈉完全電解。因此電解生成標況下2.24L氫氣時，生成氫氧化鈉的物質的量為：0.1mol，此時溶液中氫氧根離子濃度為：=1mol/L，溶液中氫離子濃度為：c(H+)= mol/L =10-14mol/L，所以溶液的pH=14，故答案為：14。