Question

乙醇汽油是被廣泛使用的新型清潔燃料，工業生產乙醇的一種反應原理為：

2CO(g) + 4H₂(g) CH₃CH₂OH(g) + H₂O(g)  △H = —256.1 kJ·mol^－1

已知：CO(g) + H₂O(g) CO₂(g)+H₂(g)    △H= —41.2 kJ·mol^－1

（1）以CO₂(g)與H₂(g)為原料也可合成乙醇，其熱化學方程式如下：

2CO₂(g) +6H₂(g) CH₃CH₂OH(g) +3H₂O(g)   △H =          。

（2）汽車使用乙醇汽油并不能減少NO_x的排放，這使NO_x的有效消除成為環保領域的重要課題。

①某研究小組在實驗室以Ag– ZSM– 5為催化劑，測得NO轉化為N₂的轉化率隨溫度變化情況如下圖。若不使用CO，溫度超過800℃，發現NO的轉化率降低，其可能的原因為         ；在n(NO)/n(C O)=1的條件下，應控制的最佳溫度在      左右。

②用活性炭還原法處理氮氧化物。有關反應為：C (s) +2NO₂(g)  N₂ (g) + CO₂ (g)。某研究小組向某密閉容器中加人足量的活性炭和NO，恒溫( T₁℃)條件下反應，反應進行到不同時間測得各物質的濃度如下：

濃度/mol∙L－1 時間/min	NO	N2	CO2
0	1.00	0	0
20	0.40	0.30	0.30
30	0.40	0.30	0.30
40	0.32	0.34	0.17
50	0.32	0.34	0.17

 

I．根據表中數據，求反應開始至20min以v(NO)表示的反應速率為           (保留兩位有效數字)，T₁℃時該反應的平衡常數為           (保留兩位有效數字)。

II．30min后，改變某一條件，反應重新達到平衡，則改變的條件可能是            。下圖表示CO₂的逆反應速率[v_逆(CO₂)]隨反應時間的變化關系圖。請在圖中畫出在30min改變上述條件時，在40min時刻再次達到平衡的變化曲線。

 

Answer 1

【答案】

（17分）

（1）—173.7kJ•mol^－1（3分）

（2）①該反應是放熱反應，升高溫度反應更有利于向逆反應方向進行（2分）

900℃（2分）

②I．0.030mol•L^－1•mol^－1（3分，沒寫單位扣1分）    

0.56（3分）

II．減小CO₂的濃度（2分）

（2分）

作圖要點：起點在30min時v_逆(CO₂)的一半以下；終點不超過30min時v_逆(CO₂)

【解析】

試題分析：（1）將題目中出現的三個熱化學方程式依次編號為①②③，觀察可得①—②×2=③，根據蓋斯定律可知，③的焓變=①的焓變—②的焓變×2=—173.7kJ•mol^－1；（2）①若不使用CO，則反應為2NO(g)N₂(g)+O₂(g)，隨著溫度的升高，反應速率增大，從開始反應到達到平衡時，NO轉化為N₂的轉化率隨溫度升高而逐漸增大，達到平衡后，再升高溫度，NO的轉化率隨溫度升高逐漸減小，說明正反應是放熱反應，升高溫度使平衡左移；有CO時，發生的不可逆反應為CO+NON₂+CO₂，NO的轉化率隨溫度的升高而逐漸增大，但是900℃→1000℃時NO的轉化率增大程度不大，但是生產成本卻會明顯增加，因此在n(NO)/n(C O)=1的條件下，應控制的最佳溫度為900℃；②I．讀表中信息可得，從反應開始到20min，NO的變化濃度=(1.00—0.40) mol∙L^－1=0.60 mol∙L^－1，根據平均反應速率的定義式可知，v(NO)=△c/△t=0.030mol•L^－1•mol^－1；由于固體物質濃度是常數，不需要寫入平衡常數表達式，讀表中信息可知，20min時該反應在T₁℃時達到平衡，則K=[c(CO₂)•c(N₂)]/c²(NO₂)=[0.30×0.30]/0.40²≈0.56；II．30min改變條件后，根據三行數據法可知：

                        C (s) +2NO₂(g)  N₂ (g) + CO₂ (g)

起始濃度/mol•L^－1               0.40        0.30    0.30

變化濃度/mol•L^－1               0.080       0.040   0.040

平衡濃度/mol•L^－1               0.32        0.34       0.34（2分）

由于二氧化碳的理論濃度比實際濃度大0.17mol/L，說明30min時從原平衡體系中移出了CO₂，減小CO₂的濃度；由于30min時生成物CO₂的濃度減少了一半，則v_逆(CO₂)立即減少一半，所以起點的橫坐標為30min、縱坐標為原平衡的一半；減小生成物濃度，平衡向正反應方向移動，則v_逆(CO₂)逐漸增大，直到40min才達到新的平衡，但是此時CO₂的濃度比原平衡時小，因此v_逆(CO₂)比原平衡時小， 所以終點的橫坐標為40min、縱坐標比原平衡的一半大，但是比原平衡時小。

考點：考查化學反應原理，涉及蓋斯定律、溫度對平衡移動的影響、放熱反應和吸熱反應、根據反應物配比及溫度對轉化率影響圖像確定反應最佳溫度、平均反應速率和平衡常數的計算、根據各組分的濃度時間變化表推斷引起平衡移動的因素、畫出逆反應速率-時間圖像等。