Question

2．汽車尾氣排放的一氧化碳、氮氧化物等氣體已成為大氣污染的主要來源．德國大眾汽車尾氣檢測造假事件引起全世界震驚．同時能源又是制約國家發展進程的因素之一．甲醇、二甲醚等被稱為21世紀的綠色能源，工業上可利用天然氣為主要原料與二氧化碳、水蒸氣在一定條件下制備合成氣（CO、H₂），再制成甲醇、二甲醚．
請根據如圖1示意圖回答（1）、（2）有關問題：

（1）汽車發動機工作時會引發N₂（g）+O₂（g）═2NO（g）△H=+180kJ•mol^-1，其能量變化示意圖如圖2：
則NO中氮氧鍵的鍵能為632  kJ•mol^-1．
（2）利用活性炭涂層排氣管處理NO_x的反應為：xC（s）+2NO_x（g）?N₂（g）+xCO₂ （g）△H=-b kJ•mol^-1．若使NO_x更加有效的轉化為無毒尾氣排放，以下措施理論上可行的是AD．
A．增加排氣管長度  B．增大尾氣排放口  C．升高排氣管溫度   D．添加合適的催化劑
（3）工業上一般采用下列兩種反應合成甲醇：
反應a：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49.5kJ•mol^-1
反應b：CO （g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H=-91.8kJ•mol^-1
①對于反應a，某溫度下，將4.0mol CO₂（g）和12.0mol H₂（g）充入容積為2L的密閉容器中，反應到達平衡時，測得甲醇蒸氣的體積分數為30%，則該溫度下反應的平衡常數為1.33；
②對于反應b，在763K、3.04×10⁴kPa時，用CO和H₂做原料合成CH₃OH，當原料中CO和H₂的比例不同時，對CO的轉化率及平衡混合物中甲醇的體積分數都有影響．設H₂和CO起始物質的量之比為m，平衡時CO的轉化率為α，平衡混合物中甲醇的體積分數為y，則m、α、y三者的關系式為y=$\frac{α}{1+m+2a}$
（i）請根據上述關系式將如表空白填滿：

m	α	y
1	0.25	16.67%
2	0.45
3	0.56	19.35%

（ii）根據表中提供的數據，可得出反應物的比例對CO轉化率以及平衡混合物中甲醇的體積分數影響的結論．選擇最佳反應物配比是m=2，α=0.45；理由是由表中數據可知，m越大，α越大； 開始時m增大，y也隨著增大，當m＞2時，m增大，y減小，當m=2時，y最大 ．
（4）CO可以合成二甲醚，二甲醚可以作為燃料電池的原料，化學反應原理為：
CO（g）+4H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）△H＜0
①在恒容密閉容器里按體積比為1：4充入一氧化碳和氫氣，一定條件下反應達到平衡狀態．當改變反應的某一個條件后，下列變化能說明平衡一定向正反應方向移動的是D；
A．逆反應速率先增大后減小 
B．通入一定量的He，體系壓強增大
C．正反應速率先減小后增大
D．化學平衡常數K值增大
②已知參與電極反應的電極材料單位質量放出電能的大小稱為該電池的比能量．關于二甲醚堿性燃料電池與乙醇堿性燃料電池，下列說法正確的是AC（填字母）
A．兩種燃料互為同分異構體，分子式和摩爾質量相同，但比能量不相同
B．兩種燃料所含共價鍵數目相同，斷鍵時所需能量相同，比能量相同
C．兩種燃料所含共價鍵類型不同，斷鍵時所需能量不同，比能量不同
③已知甲醇的熱值是23kJ•g^-1，請寫出表示甲醇燃燒熱的熱化學方程式CH₃OH（g）+$\frac{3}{2}$O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-736kJ/mol．

Answer 1

分析 （1）△H=反應物的鍵能總和-生成物的鍵能總和；
（2）A．增加排氣管長度，增大了相當于增大了固體的接觸面積，加快了化學反應速率，對平衡無影響；
B．增大尾氣排放口，對反應速率和平衡不產生影響；
C．升高排氣管溫度，溫度升高，平衡左移，不利于NO_x轉化；
D．添加合適的催化劑，加快化學反應速率，對平衡無影響；
（3）①設出達到平衡時甲醇的物質的量，然后根據達到平衡時甲醇的百分含量計算出達到平衡時各組分的物質的量及濃度，最后帶人K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）{c}^{3}（{H}_{2}）}$計算出該溫度下該反應的平衡常數；
②i．設H₂和CO起始物質的量之比為m，平衡時CO的轉化率為α，平衡混合物中甲醇的體積分數為y，
                            CO （g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）
起始量（mol）       1                m                     0
變化量（mol）      α               2α                     α
平衡量（mol）    1-α             m-2α                  α
則m、α、y三者的關系式為y=$\frac{α}{1-α+m-2α+α}$=$\frac{α}{1+m-2α}$
ii．根據表中提供的數據，可得出反應物的比例對CO轉化率以及平衡混合物中甲醇的體積分數影響的結論．選擇最佳反應物配比；
（4）①根據影響化學平衡的因素進行判斷滿足“平衡一定向正反應方向移動”的選項；
②根據乙醇和二甲醚中結構簡式不同，發生反應時斷裂的化學鍵不同，反應放出的能量不會相同，據此進行判斷；
③燃燒熱是1mol可燃物完全燃燒生成穩定氧化物時放出的熱量；在25℃、101kPa下，1g甲醇（CH₃OH）燃燒生成CO₂和液態水時放熱23kJ，32g甲醇燃燒生成CO₂和液態水時放熱23kJ×32=736kJ，1mol甲醇質量為32克，所以完全燃燒1mol甲醇生成二氧化碳和液態水放熱736KJ，根據燃燒熱的概念分析即可解答．

解答 解：（1）設NO中氮氧鍵的鍵能為x，△H=反應物的鍵能總和-生成物的鍵能總和=（946+498）kJ•mol^-1-2×x=180kJ•mol^-1，解得x=632 kJ•mol^-1，
故答案為：632；
（2）xC（s）+2NO_x（g）?N₂（g）+xCO₂ （g）△H=-b kJ•mol^-1．此反應為放熱反應，
A．增加排氣管長度，增大了相當于增大了固體的接觸面積，加快了化學反應速率，故A正確；
B．增大尾氣排放口，對反應速率和平衡不產生影響，故B錯誤；
C．升高排氣管溫度，溫度升高，平衡左移，不利于NO_x轉化，故C錯誤；
D．添加合適的催化劑，加快化學反應速率，故D正確；
故答案為：AD；
（3）按反應a充分反應達到平衡后，設n（CH₃OH）=xmol，則：
                        CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）
起始量（mol） 4                12                0                  0
變化量（mol） x                3x                 x                  x
平衡量（mol） 4-x            12-3x             x                  x
達到平衡時甲醇的含量為：$\frac{x}{4-x+12-3x+x+x}$×100%=30%，
解得：x=3，達到平衡時各組分的濃度為：c（CO₂）=$\frac{4-3}{2}$mol/L=0.5mol/L，c（H₂）=$\frac{12-9}{2}$mol/L=1.5mol/L，c（CH₃OH）=c（H₂O）=$\frac{3mol}{2L}$=1.5mol/L，
則該溫度下反應的平衡常數為：K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）{c}^{3}（{H}_{2}）}$=$\frac{1.5×1.5}{0.5×1．{5}^{3}}$=$\frac{4}{3}$≈1.33，
故答案為：1.33；
②（i）設H₂和CO起始物質的量之比為m，平衡時CO的轉化率為α，平衡混合物中甲醇的體積分數為y，
                            CO （g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）
起始量（mol）       1                m                     0
變化量（mol）      α               2α                     α
平衡量（mol）    1-α             m-2α                  α
則m、α、y三者的關系式為y=$\frac{α}{1-α+m-2α+α}$=$\frac{α}{1+m-2α}$
m=2，α=0.45，解得y=$\frac{0.45}{1+2-2×0.45}$×100%=21.43%，
故答案為：21.43%；
（ii）根據表中提供的數據，可得出反應物的比例對CO轉化率以及平衡混合物中甲醇的體積分數影響的結論．選擇最佳反應物配比，m=2，α=0.45時甲醇體積分數最大，由表中數據可知，m越大，α越大； 開始時m增大，y也隨著增大，當m＞2時，m增大，y減小，當m=2時，y最大，
故答案為：2；0.45； 由表中數據可知，m越大，α越大； 開始時m增大，y也隨著增大，當m＞2時，m增大，y減小，當m=2時，y最大；
（4）①A．逆反應速率先增大后減小，可以升高溫度，正逆反應速率都增大，平衡向著逆向移動，滿足了逆反應速率先增大后逐漸減小，故A錯誤；
B．通入一定量的He，體系壓強增大，氣體分液不變，平衡不變，故B錯誤；
C．反應物的體積百分含量減小，如減少反應物濃度，平衡會向著逆向移動，故C錯誤；
D．化學平衡常數K值增大，說明生成物的濃度增大，反應物的濃度減小，平衡一定向著正向移動，故D正確；
故答案為：D；
②化學反應實質是舊鍵的斷裂和新鍵的生成，放出的能量與舊鍵斷裂吸收的能量和新鍵的生成放出的能量有關，而二甲醚和乙醇分子中化學鍵類型不同，所以反應過程中放出的能量不同，所以AC正確，
故答案為：AC；
③1mol甲醇完全燃燒生成二氧化碳和液態水放熱725.8KJ，燃燒熱熱化學方程式為：CH₃OH（l）+$\frac{3}{2}$O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-736kJ•mol^-1，
故答案為：CH₃OH（g）+$\frac{3}{2}$O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-736 kJ/mol．

點評 本題考查了化學平衡的調控作用、化學平衡的影響因素、化學平衡常數的計算、化學平衡狀態的判斷等知識，題目難度中等，考查的知識點較大，充分考查了學生對化學平衡，試題培養了學生的分析、理解能力及化學計算能力．