Question

13．CO₂、SO₂、NO_x是對環境影響較大的氣體，控制和治理CO₂、SO₂、NO_x是解決溫室效應、減少酸雨和光化學煙霧的有效途徑．
（1）圖1是在101kPa，298K條件下1mol NO₂和1mol CO反應生成1mol CO₂和1mol NO過程中能量變化示意圖．

已知：①N₂（g）+O₂（g）=2NO （g）△H=179.5kJ•mol^-1
②2NO （g）+O₂（g）=2NO₂（g）△H=^-112.3kJ•mol^-1
請寫出NO與CO反應生成無污染氣體的熱化學方程式：2NO （g）+2CO （g）=N₂（g）+2 CO₂（g）△H=-759.8 kJ•mol^-1．
（2）工業上正在研究利用CO₂來生產甲醇燃料的方法，該方法的化學方程式是：
CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=^-49.0kJ•mol^-1
某科學實驗小組將6mol CO₂和8mol H₂充入一容積為2L的密閉容器中（溫度保持不變），測得H₂的物質的量隨時間變化如圖2中實線所示（圖中字母后的數字表示對應的坐標）．
①該反應在0～8min內CO₂的平均反應速率是0.125mol/（L•min）；
②該反應的平衡常數表達式為：K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）×c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）×{c}^{3}（{H}_{2}）}$；
③僅改變某一條件再進行實驗，測得H₂的物質的量隨時間變化如圖中虛線所示．與實線相比，曲線Ⅰ改變的條件可能是升高溫度，曲線Ⅱ改變的條件可能是增大壓強．若實線對應條件下平衡常數為K，曲線Ⅰ對應條件下平衡常數為K₁，曲線Ⅱ對應條件下平衡常數為K₂，則K、K₁和K₂的大小關系是K₁＜K=K₂；
（3）有學者設想以如圖3所示裝置用電化學原理將他們轉化為重要化工原料．請回答：
①若A為SO₂，B為O₂，C為H₂SO₄，則負極反應式SO₂-2e^-+2H₂O=4H⁺+SO₄^2-；
②若A為CO₂，B為H₂，C為CH₃OH，則正極反應式CO₂+6H⁺+6e^-=CH₃OH+H₂O．

Answer 1

分析 （1）NO與CO反應生成無污染氣體，發生反應為：2 NO+2 CO=N₂+2 CO₂，由圖可知，1mol NO₂和1mol CO反應生成CO₂和NO放出熱量368-134=234kJ，反應熱化學方程式為：NO₂（g）+CO（g）=NO（g）+CO₂（g）△H=-234 kJ•mol^-1，結合已知熱化學方程式，利用蓋斯定律書寫目標熱化學方程式；
（2）①由圖可知，8min時氫氣的物質的量為2mol，參加反應的氫氣為8mol-2mol=6mol，根據v=$\frac{△c}{△t}$計算v（H₂），再利用速率之比等于其化學計量數之比計算v（CO₂）；
②化學平衡常數，是指在一定溫度下，可逆反應達到平衡時各生成物濃度的化學計量數次冪的乘積除以各反應物濃度的化學計量數次冪的乘積所得的比值，注意固體、純液體不需要寫出；
③曲線I反應速率增大，但轉化的氫氣的物質的量少，改變條件平衡向逆反應方向移動，可能是升高溫度，因該反應放熱，升高溫度平衡逆向移動；
曲線Ⅱ反應速率增大，轉化的氫氣的物質的量多，平衡正向移動，可能是增大壓強；
平衡常數只受溫度的影響，該反應放熱，升高溫度平衡逆向移動，平衡常數減小；
（3）①反應本質是：SO₂+O₂+H₂O=H₂SO₄，負極發生氧化反應，二氧化硫在負極失去電子與水生成硫酸根、氫離子；
②正極發生還原反應，通入的二氧化碳轉化為甲醇，由電荷守恒可知，應有氫離子參加反應．

解答 解：（1）NO與CO反應生成無污染氣體，發生反應為：2 NO+2 CO=N₂+2 CO₂，
已知：①N₂（g）+O₂（g）=2NO （g）△H=179.5kJ•mol^-1
②2NO （g）+O₂（g）=2NO₂（g）△H=-112.3kJ•mol^-1
由圖可知，1mol NO₂和1mol CO反應生成CO₂和NO放出熱量368-134=234kJ，該反應熱化學方程式為③NO₂（g）+CO（g）=NO（g）+CO₂（g）△H=-234 kJ•mol^-1，
根據蓋斯定律可知，③×2+②-①得：2 NO （g）+2 CO （g）=N₂（g）+2 CO₂（g）△H=-759.8 kJ•mol^-1，
故答案為：2 NO （g）+2 CO （g）=N₂（g）+2 CO₂（g）△H=-759.8 kJ•mol^-1；
（2）①由圖可知，8min時氫氣的物質的量為2mol，參加反應的氫氣為8mol-2mol=6mol，故v（H₂）=$\frac{\frac{6mol}{2L}}{8min}$=0.375mol/（L•min），速率之比等于化學計量數之比，故v（CO₂）=$\frac{1}{3}$v（H₂）=$\frac{1}{3}$×0.375mol/（L•min）=0.125mol/（L•min），
故答案為：0.125mol/（L•min）；
②反應CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）的平衡常數表達式K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）×c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）×{c}^{3}（{H}_{2}）}$，故答案為：$\frac{c（C{H}_{3}OH）×c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）×{c}^{3}（{H}_{2}）}$；
③曲線I反應速率增大，但轉化的氫氣的物質的量少，可能是升高溫度，因該反應放熱，升高溫度平衡逆向移動，不利于氫氣的轉化；
曲線Ⅱ反應速率增大，轉化的氫氣的物質的量多，因增大壓強平衡正向移動，故應是增大壓強；
平衡常數只受溫度的影響，該反應放熱，升高溫度平衡逆向移動，平衡常數減小，故溫度越高平衡常數越小，曲線Ⅰ溫度最高，實線和曲線Ⅱ溫度相同，故K₁＜K=K₂，
故答案為：升高溫度； 增大壓強；K₁＜K=K₂；
（3）①反應本質是：SO₂+O₂+H₂O=H₂SO₄，負極發生氧化反應，二氧化硫在負極失去電子與水生成硫酸根、氫離子，負極電極反應式為：SO₂-2e^-+2H₂O=4H⁺+SO₄^2-，
故答案為：SO₂-2e^-+2H₂O=4H⁺+SO₄^2-；
②正極發生還原反應，通入的二氧化碳轉化為甲醇，由電荷守恒可知，應有氫離子參加反應，正極電極反應式為：CO₂+6H⁺+6e^-=CH₃OH+H₂O，
故答案為：CO₂+6H⁺+6e^-=CH₃OH+H₂O．

點評 本題屬于拼合型題目，涉及熱化學方程式書寫、化學反應速率計算、化學平衡常數、化學平衡圖象、原電池等，是對學生綜合能力的考查，需要學生熟練掌握基礎知識，難度中等．