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：（1）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

①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時達到平衡，

t4時降低溫度，t5時達到平衡，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：平衡時CH3OH的濃度c(Ⅰ)___c(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30 min時只改變溫度至T2℃，此時H2的物質的量為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轉化為甲酸，反應原理為2CO2＋2H2O=2HCOOH＋O2，裝置如圖所示：

①電極2的電極反應式是____；

②在標準狀況下，當電極2室有11.2LCO2反應。理論上電極1室液體質量___(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】

根據題意可知，本題考查熱化學方程式的書寫、化學平衡移動、化學反應速率、電化學知識，運用蓋斯定律、勒夏特列原理、、電化學原理分析。

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，故反應熱化學方程式為：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的起始物質的量之比為1:3，反應按物質的量1:3反應，故混合氣體中CO2、H2的起始物質的量之比為1:3，平均摩爾質量數值或平均相對分子質量始終保持不變，無法判斷是平衡狀態，故a錯誤；

b.由a中分析，可知CO2和H2的體積分數數值始終保持不變，無法判斷是平衡狀態，故b錯誤；

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

d.容器容積不變，混合氣體質量減小，隨反應進行混合氣體密度減小，當混合氣體的密度不變，反應到達平衡，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，反應到達平衡，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，在t2時將容器容積縮小一倍，瞬間CO2濃度變為1mol/L，壓強增大，平衡向正反應方向移動，t3時達到平衡時，等效為開始體積縮小一倍到達的平衡，設此時CO2濃度為xmol/L，則：

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

開始(mol/L): 2 6

轉化(mol/L): 2x 63x

平衡(mol/L) :x 3x

則，解得x=0.5，

t3時達到平衡時CO2濃度為0.5mol/L，t4時降低溫度，瞬間CO2濃度不變，正反應為放熱反應，而后平衡向正反應移動，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，反應向逆反應進行，逆反應為吸熱反應，平衡時溫度比I中低，升高溫度平衡向逆反應方向移動，降溫時平衡正向移動，則平衡常數K(Ⅰ)<K(Ⅱ)，平衡時CH3OH的濃度c(I)<c(Ⅱ)，

故答案為：<；

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

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

開始(mol/L): 2 6 0 0

轉化(mol/L): 1 3 1 1

平衡(mol/L): 1 3 1 1

故平衡常數，

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的物質的量為3.2mol，平衡逆向移動，氫氣濃度增大，由于正反應為放熱反應，可以升高溫度，即T1<T2；對反應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生成HCOOH，電極反應式為CO2+2H++2e=HCOOH，

故答案為：CO2+2H++2e=HCOOH；

②電極1式為負極，發生的電極反應式為2H2O4e=4H++O2↑，理論上隨著當電極2室有11.2L CO2反應，二氧化碳的物質的量為，轉移電子為0.5mol×2=1mol，電極1室參加反應的水的質量為18g/mol×=9g，即電極1室理論減小液體質量為9g，

故答案為：減��；9。