Question

14．汽車在現代生活中扮演著越來越重要的角色，但其尾氣（碳氫化合物、氮氧化物及一氧化碳等）帶來的環境污染越來越明顯，汽車尾氣的治理已經迫在眉睫．
（1）尾氣中的CO主要來自于汽油的不完全燃燒．
①有人設想按下列反應除去CO：2CO（g）═2C（s）+O₂（g）△H=+221kJ•mol^-1，簡述該設想能否實現否（填“是”或“否”）依據是：該反應是焓增、熵減的反應，任何溫度下均不能自發進行．
②研究表明：反應CO（g）+H₂O（g）?H₂（g）+CO₂（g）平衡常數隨溫度的變化如下表所示：

溫度/℃	400	500	800
平衡常數K	9.94	9	1

該反應的△H＜0（填“＞”或“＜”）若反應在500℃時進行，設起始時CO和H₂O的濃度均為0.020mol•L^-1，在該條件下達到平衡時，CO的轉化率為75%．
（2）用CO做燃料電池電解NaCl溶液、FeCl₃和FeCl₂混合液的示意圖如圖1所示，其中A、B、D均為石墨電極，C為銅電極，轉移0.4mol e^-后，斷開K．

①乙中產生的氣體在標準狀況下的體積為7.28L．
②丙裝置溶液中金屬陽離子的物質的量與轉移電子的物質的量變化關系如圖2所示，反應結束后，要使丙裝置中金屬陽離子恰好完全沉淀，需要280mL 5.0mol•L^-1 NaOH溶液．
（3）電解法處理氮氧化合物是目前大氣污染治理的一個新思路，原理是將NO_x在電解池中分解成無污染的N₂和O₂除去，如圖2所示，兩電極間是固體氧化物電解質，在一定條件下可自由傳導O^2-，電解池陰極反應為2NO_x+4xe^-=N₂+2xO^2-．

（4）尾氣中的碳氫化合物，如甲烷，可以用來制備氫氣．其反應方程式為：
CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）△H=+206.2kJ/mol
[其中投料比n（CH₄）：n（H₂O）=1：1]．
對于氣相反應，用某組分（B）的平衡壓強（P_B）代替物質的量濃度（c_B）也可表示平衡常數（記作K_P，分壓=總壓×物質的量分數）．平衡時CH₄的轉化率與溫度、壓強（總壓）的關系如圖4所示：
則p₁＜ p₂ （填“＞”或“＜”），p₂時M點的平衡常數K_P=0.066（小數點后保留3位）．

Answer 1

分析 （1）①依據反應自發進行的條件是△H-T△S＜0分析判斷；
②溫度升高K值減小，所以正反應為放熱反應；令CO的濃度變化為c，用三段式表示出各物質變化的濃度、平衡時的濃度，再根據平衡常數計算；
（2）①乙中是電解氯化鈉溶液，陰極上是氫離子放電產生氫氣，陽極上先是氯離子放電產生氯氣，氯離子用完之后是氫氧根離子放電產生氧氣，據此計算；
②C電極為陽極，D電極為陰極，根據丙圖可知溶液中有三種金屬陽離子，而根據丙的成分可知溶液中只有兩種金屬陽離子，說明在電解過程中還有Cu²⁺生成，因此C電極是Cu做陽極，D電極是石墨做陰極，根據轉移電子的物質的量和金屬陽離子的物質的量的變化確定曲線對應的離子，結合轉移電子的物質的量計算；
（3）電解法處理氮氧化合物原理是將NO_x在電解池中分解成無污染的N₂和O₂除去，兩電極間是固體氧化物電解質，在一定條件下可自由傳導O^2-，陰極發生還原反應，陰極上是NO_x獲得電子生成N₂與O^2-；
（4）該反應為氣體體積增大的反應，當溫度一定時，根據甲烷的轉化率與壓強的關系可判斷壓強大小；p₂時M點的甲烷的平衡轉化率為30%，據此可計算得平衡是都只物質的濃度，再根平衡常數的定義進行計算；

解答 解：（1）①2CO（g）═2C（s）+O₂（g）△H=+221kJ•mol^-1，反應是焓變增大，熵變減小的反應，△H＞0，△S＜0，則△H-T△S＞0，反應任何溫度下都不能自發進行，
故答案為：否；該反應是焓增、熵減的反應，任何溫度下均不能自發進行；
②溫度升高K值減小，所以正反應為放熱反應，△H＜0
對于反應       CO（g）+H₂O（g）?H₂（g）+CO₂（g），
開始（mol/L）：0.02   0.02       0       0
變化（mol/L）：c      c          c       c
平衡（mol/L）：0.02-c 0.02-c     c       c
所以$\frac{c×c}{（0.02-c）（0.02-c）}$=9，解得c=0.015，
所以CO的轉化率為$\frac{0.015mol/L}{0.02mol/L}$×100%=75%，
故答案為：＜；75%；
（2）①乙中是電解氯化鈉溶液，陰極上是氫離子放電產生氫氣，陽極上先是氯離子放電產生氯氣，氯離子用完之后是氫氧根離子放電產生氧氣，當轉移0.4mol e^-，
陰極產生的氣體為氫氣的物質的量為0.2mol，根據圖中數據可知，氯離子的物質的量為0.1mol，所以產生氯氣為0.05mol，同時轉移0.1mol電子，還有0.3mol電子用于產生氧氣，根據電極反應4OH^--4e^-=2H₂O+O₂↑，可知，氧氣的物質的量為0.075mol，所以在乙裝置中共產生的氣體的物質的量為0.2mol+0.05mol+0.075mol=0.325mol，所以氣體的體積為7.28L，
故答案為：7.28L；
②根據轉移電子的物質的量和金屬陽離子的物質的量的變化，可知，銅離子從無增多，鐵離子物質的量減小，亞鐵離子增加，①為Fe³⁺，②為Fe²⁺，③為Cu²⁺，電子轉移為0.4mol，對比圖象，可知此時溶液中為Fe²⁺ 0.5mol，和Cu²⁺離子0.2mol．需要加入NaOH溶液1.4mol，體積為280ml，
故答案為：280；
（3）電解法處理氮氧化合物原理是將NO_x在電解池中分解成無污染的N₂和O₂除去，兩電極間是固體氧化物電解質，在一定條件下可自由傳導O^2-，陰極發生還原反應，陰極上是NO_x獲得電子生成N₂與O^2-，電極反應式為：2NO_x+4xe^-=N₂+2xO^2-，
故答案為：2NO_x+4xe^-=N₂+2xO^2-；
（4）該反應為氣體體積增大的反應，當溫度一定時，根據甲烷的轉化率與壓強的關系可判斷壓強大小知p₁時的甲烷的轉化率大于 p₂ 時的，即平衡向正反應方向移動，所以，p₁＜p₂；p₂時M點的甲烷的平衡轉化率為30%，設起始CH₄和H₂O的物質的是量均為amol，
則根據反應，
            CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）
起始（mol）  a        a        0       0       
轉化（mol）  0.3a    0.3a     0.3a     0.9a
平衡（mol）  0.7a    0.7a     0.3a     0.9a   
所以CH₄、H₂O、CO、H₂平衡分壓分別為$\frac{0.7a}{2.6a}$=$\frac{7}{26}$、$\frac{7}{26}$、$\frac{3}{26}$、$\frac{9}{26}$，則K_P=$\frac{\frac{3}{26}×（\frac{9}{26}）^{3}}{\frac{7}{26}×\frac{7}{26}}$=0.066，
故答案為：＜； 0.066．

點評 本題考查了電解原理的分析應用、反應自發進行的判斷依據、化學平衡常數的計算等，掌握基礎是關鍵，題目難度較大，答題時注意題中信息的靈活運用．