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285.8kJ·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(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�，發(fā)生反應(yīng)：CO2(g)＋3H2(g)CH3OH(l)＋H2O(l) ΔH<0

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．混合氣體的平均相對分子質(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生成的同時有3 molH—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(dá)到平衡，

t4時降低溫度，t5時達(dá)到平衡，請畫出t2～t6時間段CO2濃度隨時間的變化___。

（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)過程中部分?jǐn)?shù)據(jù)見下表：

	反應(yīng)時間	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，反應(yīng)Ⅰ、Ⅱ?qū)Ρ龋浩胶鈺rCH3OH的濃度c(Ⅰ)___c(Ⅱ)(填“>”“<”或“＝”)。

②對反應(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30 min時只改變溫度至T2℃，此時H2的物質(zhì)的量為3.2mol，則T1___(填“>”“<”或“＝”)T2。若30min時只向容器中再充入1 molCO2(g)和1molH2O(g)，則平衡___(填“正向”“逆向”或“不”)移動。

（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11.2LCO2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) ΔH＝－1100.2kJ·mol－1 低溫 de < 0.025mol·L－1·min－1 < 不 CO2＋2H＋＋2e－=HCOOH 減少 9

【解析】

根據(jù)題意可知，本題考查熱化學(xué)方程式的書寫、化學(xué)平衡移動、化學(xué)反應(yīng)速率、電化學(xué)知識，運(yùn)用蓋斯定律、勒夏特列原理、、電化學(xué)原理分析。

Ⅰ.H2的燃燒熱為285.8kJmol1，則①.2H2(g)+O2(g)=2H2O(l) △H=571.6kJmol1，②.N2(g)+2O2(g)=2NO2(g) △H=+133kJmol1③.H2O(g)=H2O(l) △H=44kJmol1根據(jù)蓋斯定律①×2②③×4可得：4H2(g)+2NO2(g)=N2(g)+4H2O(g)，則：△H=2×(571.6kJmol1)133kJmol14×(44kJmol1) = 1100.2kJmol1，故反應(yīng)熱化學(xué)方程式為：4H2(g)+2NO2(g)=N2(g)+4H2O(g) △H=1100.2kJmol1，

故答案為：4H2(g)+2NO2(g)=N2(g)+4H2O(g) △H=1100.2kJmol1；

Ⅱ. (1)①CO2(g)+3H2(g)═CH3OH(l)+H2O(l)，熵變△S<0，則反應(yīng)焓變△H<0，低溫下滿足△HT△S<0

故答案為：低溫；

②a.甲醇、水為液體，CO2、H2的起始物質(zhì)的量之比為1:3，反應(yīng)按物質(zhì)的量1:3反應(yīng)，故混合氣體中CO2、H2的起始物質(zhì)的量之比為1:3，平均摩爾質(zhì)量數(shù)值或平均相對分子質(zhì)量始終保持不變，無法判斷是平衡狀態(tài)，故a錯誤；

b.由a中分析，可知CO2和H2的體積分?jǐn)?shù)數(shù)值始終保持不變，無法判斷是平衡狀態(tài)，故b錯誤；

c.由a中分析，可知CO2和H2的轉(zhuǎn)化率始終相等，無法判斷是平衡狀態(tài)，故c錯誤；

d.容器容積不變，混合氣體質(zhì)量減小，隨反應(yīng)進(jìn)行混合氣體密度減小，當(dāng)混合氣體的密度不變，反應(yīng)到達(dá)平衡，故d正確；

e.1molCO2生成的同時有3molHH鍵斷裂，而1molCO2生成的同時生成3molHH鍵，氫氣的生成速率與消耗速率相等，反應(yīng)到達(dá)平衡，故e正確，

故答案為：de；

③t2時CO2濃度為0.5mol/L，則氫氣濃度變化量為(1mol/L0.5mol/L)×3=1.5mol/L，氫氣平衡濃度為1.5mol/L=1.5mol/L，則該溫度下平衡常數(shù)，在t2時將容器容積縮小一倍，瞬間CO2濃度變?yōu)?/span>1mol/L，壓強(qiáng)增大，平衡向正反應(yīng)方向移動，t3時達(dá)到平衡時，等效為開始體積縮小一倍到達(dá)的平衡，設(shè)此時CO2濃度為xmol/L，則：

CO2(g)+3H2(g)CH3OH(l)+H2O(l)

開始(mol/L): 2 6

轉(zhuǎn)化(mol/L): 2x 63x

平衡(mol/L) :x 3x

則，解得x=0.5，

t3時達(dá)到平衡時CO2濃度為0.5mol/L，t4時降低溫度，瞬間CO2濃度不變，正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，而后平衡向正反應(yīng)移動，CO2濃度減小，畫出t2t6CO2的濃度隨時間的變化如圖：

。

故答案為： ；

(2)①I為恒溫，Ⅱ為絕熱容器，反應(yīng)向逆反應(yīng)進(jìn)行，逆反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，平衡時溫度比I中低，升高溫度平衡向逆反應(yīng)方向移動，降溫時平衡正向移動，則平衡常數(shù)K(Ⅰ)<K(Ⅱ)，平衡時CH3OH的濃度c(I)<c(Ⅱ)，

故答案為：<；

②，速率之比等于化學(xué)計量數(shù)之比，v(CH3OH)= v(H2)=0.025mol/(Lmin)；20min時，轉(zhuǎn)化的CO2為2mol1mol=1mol，則生成的CH3OH為1mol，而30min時CH3OH為1mol，故20min時已達(dá)平衡，

CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)

開始(mol/L): 2 6 0 0

轉(zhuǎn)化(mol/L): 1 3 1 1

平衡(mol/L): 1 3 1 1

故平衡常數(shù)，

平衡時氫氣為6mol1mol×3=3mol，氫氣平衡濃度為，在其他條件不變的情況下，若30min時只改變溫度T2℃，此時H2的物質(zhì)的量為3.2mol，平衡逆向移動，氫氣濃度增大，由于正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，可以升高溫度，即T1<T2；對反應(yīng)Ⅰ，若30min時只向容器中再充入1molCO2(g)和1molH2O(g)，此時濃度商，則平衡不移動；

故答案為：0.025mol/(Lmin)；<；不；

(3)①電極2是正極，正極上二氧化碳得電子和氫離子反應(yīng)生成HCOOH，電極反應(yīng)式為CO2+2H++2e=HCOOH，

故答案為：CO2+2H++2e=HCOOH；

②電極1式為負(fù)極，發(fā)生的電極反應(yīng)式為2H2O4e=4H++O2↑，理論上隨著當(dāng)電極2室有11.2L CO2反應(yīng)，二氧化碳的物質(zhì)的量為，轉(zhuǎn)移電子為0.5mol×2=1mol，電極1室參加反應(yīng)的水的質(zhì)量為18g/mol×=9g，即電極1室理論減小液體質(zhì)量為9g，

故答案為：減��；9。