Question

6．應對霧霾污染、改善空氣質量需要從多方面入手．
I．研究發現，NO_x是霧霾的主要成分之一，NO_x主要來源于汽車尾氣．
已知：N₂（g）+O₂（g）?2NO（g）△H=+180.50kJ•mol^-1
2CO（g）+O₂（g）?2CO₂（g）△H=-566.00kJ•mol^-1
為了減輕大氣污染，人們提出在汽車尾氣排氣管口采用催化劑將NO和CO轉化成無污染氣體參與大氣循環，寫出該反應的熱化學方程式2NO（g）+2CO（g）$\frac{\underline{\;催化劑\;}}{\;}$2CO₂（g）+N₂（g）△H=-746.50 kJ•mol^-1．
II．開發利用清潔能源可減少污染，解決霧霾問題．甲醇是一種可再生的清潔能源，具有廣闊的開發和應用前景，一定條件下用CO和H₂合成CH₃OH：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g），在2L密閉容器中充入物質的量之比為1：2的CO和H₂，在催化劑作用下充分反應．平衡混合物中CH₃OH的體積分數在不同壓強下隨溫度的變化如圖1所示．

（1）該反應的反應熱△H＜0（填“＞”或“＜”），壓強的相對大小與P₁＞P₂（填“＞”或“＜”）．
（2）該反應化學平衡常數表達式為K=$\frac{c（CH{\;}_{3}OH）}{c（CO）c（H{\;}_{2}）{\;}^{2}}$．
（3）下列各項中，不能說明該反應已經達到平衡的是BC．
A．容器內氣體壓強不再變化
B．v（CO）：v（H₂）：v（CH₃OH）=1：2：1
C．容器內的密度不再變化
D．容器內混合氣體的平均相對分子質量不再變化
E．容器內各組分的質量分數不再變化
（4）某溫度下，在保證H₂濃度不變的情況下，增大容器的體積，平衡C（填字母）．
A．向正反應方向移動    B．向逆反應方向移動        C．不移動
作出此判斷的依據是在保證H₂濃度不變的情況下，增大容器的體積，說明c（CH₃OH）與c（CO）同等倍數減小，又濃度商Q_c=$\frac{c（CH{\;}_{3}OH）}{c（CO）c（H{\;}_{2}）{\;}^{2}}$=K，所以平衡不移動．
III．依據燃燒反應原理，合成的甲醇可以設計如圖2所示的燃料電池裝置．
（1）負極電極反應式為CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O．
（2）電池工作時，若電流強度為I，1個電子所帶電量為q，N_A為阿伏伽德羅常數的值，則該裝置每分鐘消耗甲醇的物質的量為$\frac{10I}{qN{\;}_{A}}$mol（假設化學能全部轉化為電能）．

Answer 1

分析 I．已知：N₂（g）+O₂（g）?2NO（g）△H=+180.50kJ•mol^-1①
2CO（g）+O₂（g）?2CO₂（g）△H=-566.00kJ•mol^-1②
根據蓋斯定律：②-①計算；
II．（1）由圖可知，升高溫度，平衡逆向移動，說明該反應的△H＜0，同溫度下，增大壓強，平衡正向移動，CH₃OH的體積分數增大；
（2）根據平衡常數的表達式為生成物濃度的冪次方之積比上反應物濃度的冪次方之積；
（3）可逆反應到達平衡時，同種物質的正逆速率相等，各組分的濃度、含量保持不變，由此衍生的其它一些量不變，判斷平衡的物理量應隨反應進行發生變化，該物理量由變化到不變化說明到達平衡；
（4）某溫度下，在保證H₂濃度不變的情況下，增大容器的體積，說明c（CH₃OH）與c（CO）同等倍數減小結合濃度商Q_c與K的關系判斷；
III．（1）負極為甲醇失電子發生氧化反應的過程，注意電解質溶液為堿性，據此書寫電極反應式；
（2）根據Q=It和N=$\frac{Q}{e}$結合CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O計算．

解答 解：I．已知：N₂（g）+O₂（g）?2NO（g）△H=+180.50kJ•mol^-1①
2CO（g）+O₂（g）?2CO₂（g）△H=-566.00kJ•mol^-1②
根據蓋斯定律：②-①得到：2NO（g）+2CO（g）$\frac{\underline{\;催化劑\;}}{\;}$2CO₂（g）+N₂（g）△H=-746.50 kJ•mol^-1；
故答案為：2NO（g）+2CO（g）$\frac{\underline{\;催化劑\;}}{\;}$2CO₂（g）+N₂（g）△H=-746.50 kJ•mol^-1；
II．（1）由圖可知，升高溫度，CH₃OH的體積分數減小，平衡逆向移動，則該反應的△H＜0，300℃時，增大壓強，平衡正向移動，CH₃OH的體積分數增大，所以p₁＞p₂，故答案為：＜；＞；
（2）因為平衡常數的表達式為生成物濃度的冪次方之積比上反應物濃度的冪次方之積，所以該反應化學平衡常數表達式為 K=$\frac{c（CH{\;}_{3}OH）}{c（CO）c（H{\;}_{2}）{\;}^{2}}$；故答案為：K=$\frac{c（CH{\;}_{3}OH）}{c（CO）c（H{\;}_{2}）{\;}^{2}}$；
（3）A．隨反應進行混合氣體物質的量減小，恒溫恒容下壓強減小，容器中壓強保持不變說明到達平衡，故A不選；
B．v（CO）：v（H₂）：v（CH₃OH）=1：2：1，未說明正逆反應方向，不能說明反應到達平衡，故B選；
C．混合氣體總質量不變，恒溫恒容下，容器內氣體密度始終保持不變，不能說明反應到達平衡，故C選；
D．混合氣體總質量不變，隨反應進行混合氣體物質的量減小，平均相對分子質量增大，平均相對分子質量不變說明到達平衡，故D不選；
E．容器內各組分的質量分數不再變化說明到達平衡，故E不選；
故選：BC；
（4）某溫度下，在保證H₂濃度不變的情況下，增大容器的體積，說明c（CH₃OH）與c（CO）同等倍數減小，又濃度商Q_c=$\frac{c（CH{\;}_{3}OH）}{c（CO）c（H{\;}_{2}）{\;}^{2}}$=K，所以平衡不移動，
故答案為：C；在保證H₂濃度不變的情況下，增大容器的體積，說明c（CH₃OH）與c（CO）同等倍數減小，又濃度商Q_c=$\frac{c（CH{\;}_{3}OH）}{c（CO）c（H{\;}_{2}）{\;}^{2}}$=K，所以平衡不移動； 
Ⅲ．（1）甲醇燃料堿性電池，所以負極反應為甲醇失電子結合氫氧根生成碳酸根離子，電極反應式為：CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O；故答案為：CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O；
（2）根據Q=It=I×60s=60I，N=$\frac{Q}{e}$=$\frac{60I}{q}$個，
由CH₃OH～6e^-
1mol       6N_A個
n            $\frac{60I}{q}$個
n=$\frac{10I}{qN{\;}_{A}}$，
故答案為：$\frac{10I}{qN{\;}_{A}}$．

點評 本題考查蓋斯定律的應用、化學平衡影響因素、平衡狀態判斷、化學平衡圖象以及燃料電池的原理等，試題知識點較多、綜合性較強，充分考查了學生的分析、理解能力及靈活應用能力．