Question

“低碳循環(huán)”引起各國的高度重視，而如何降低大氣中CO₂的含量及有效地開發(fā)利用CO₂，引起了全世界的普遍重視．所以“低碳經(jīng)濟(jì)”正成為科學(xué)家研究的主要課題．
（1）用電弧法合成的儲(chǔ)氫納米碳管常伴有大量的碳納米顆粒（雜質(zhì)），這種顆粒可用如下氧化法提純，請完成該反應(yīng)的化學(xué)方程式：（將配平后的系數(shù)填在橫線上）

 

C+

 

KMnO₄+

 

H₂SO₄→

 

CO₂↑+

 

MnSO₄+

 

K₂SO₄+

 

H₂O
當(dāng)反應(yīng)中有2.408×10²⁴個(gè)電子發(fā)生轉(zhuǎn)移時(shí)，還原劑的質(zhì)量為

 

．
（2）將不同量的CO（g）和H₂O（g）分別通入到體積為2L的恒容密閉容器中，進(jìn)行反應(yīng)CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g），得到如下三組數(shù)據(jù)：

實(shí)驗(yàn)組	溫度℃	起始量/mol		平衡量/mol		達(dá)到平衡所需時(shí)間/min
		CO	H2O	H2	CO
1	650	x	2.0	1.6	2.4	6
2	900	2.0	1.0	0.40	1.6	3

①實(shí)驗(yàn)1中以v（CO₂）表示的反應(yīng)速率為

 

（要求2位有效數(shù)字，下同）；實(shí)驗(yàn)2達(dá)到平衡時(shí)CO的體積分?jǐn)?shù)為

 

．
②若反應(yīng)的平衡常數(shù)大，處理CO的效率高，則增大該反應(yīng)平衡常數(shù)的措施有

 

．
③900℃時(shí)，該密閉容器中，加入4mol CO，3mol H₂O，4mol CO₂和2.4mol H₂，比較此時(shí)正、逆反應(yīng)速率的大�。簐_正

 

v_逆（填“＞”、“＜”或“=”）．
④一定條件下上述反應(yīng)在某體積固定的密閉容器中進(jìn)行，能說明該反應(yīng)已經(jīng)達(dá)到平衡狀態(tài)的有

 

．
A．容器中氣體的平均分子量不隨時(shí)間而變化
B．消耗1mol H₂的同時(shí)消耗1mol CO
C．容器中氣體的密度不隨時(shí)間而變化
D．CO₂的體積分?jǐn)?shù)不隨時(shí)間而變化
（3）汽車尾氣的排放對空氣造成污染．目前采用的是在汽車排氣裝置中安裝一個(gè)凈化器，可以有效將尾氣中的有害氣體轉(zhuǎn)化．如：
①CO（g）+NO₂（g）=CO₂（g）+NO（g）△H=-a kJ/mol （a＞0）
②2CO（g）+2NO（g）=2CO₂（g）+N₂（g）△H=-b kJ/mol （b＞0）
若用標(biāo)準(zhǔn)狀況下3.36L CO還原NO₂至N₂（CO完全反應(yīng)）時(shí)放出的熱量為

 

kJ（用含a和b的代數(shù)式表示，下同）；并寫出該反應(yīng)的熱化學(xué)方程式

 

．

Answer 1

考點(diǎn)：氧化還原反應(yīng)方程式的配平,用蓋斯定律進(jìn)行有關(guān)反應(yīng)熱的計(jì)算,化學(xué)平衡的影響因素,化學(xué)平衡狀態(tài)的判斷

專題：基本概念與基本理論

分析：（1）反應(yīng)中C元素的化合價(jià)由0升高為+4價(jià)，Mn元素的化合價(jià)由+7價(jià)降低為+2價(jià)，結(jié)合化合價(jià)升降總數(shù)相等以及質(zhì)量守恒定律配平，然后根據(jù)轉(zhuǎn)移電子數(shù)計(jì)算還原劑的物質(zhì)的量，帶入公式計(jì)算質(zhì)量；
（2）①由表中數(shù)據(jù)可知，H₂的物質(zhì)的量變化量為1.6mol，帶入v=

△n

V?△t

計(jì)算v（H₂），然后根據(jù)化學(xué)反應(yīng)速率之比等于化學(xué)計(jì)量數(shù)之比計(jì)算v（CO₂），CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）為等體積的反應(yīng)，實(shí)驗(yàn)2達(dá)到平衡時(shí)CO的體積分?jǐn)?shù)為

1.6mol

2.0mol+1.0mol

；
②實(shí)驗(yàn)1中x=2.4+1.6=4，對于氫氣的物質(zhì)的量而言，2×0.40mol＜1.6mol，說明升高溫度平衡逆向移動(dòng)，則該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，因此降低溫度平衡正向移動(dòng)，平衡常數(shù)增大；
③根據(jù)濃度商Qc與平衡常數(shù)K的大小，判斷反應(yīng)進(jìn)行的方向，進(jìn)而確定正逆反應(yīng)的速率；
④A．該反應(yīng)體系中全部為氣體，該反應(yīng)等物質(zhì)的量的反應(yīng)，由M=

m

n

可知，M為定值，所以容器中氣體的平均分子量是一個(gè)定值，因此不能作為平衡的依據(jù)；
B．消耗1mol H₂的同時(shí)消耗1mol CO說明正逆反應(yīng)速率相等，能說明該反應(yīng)已經(jīng)達(dá)到平衡狀態(tài)；
C．該反應(yīng)體系中全部為氣體，氣體的總質(zhì)量m為定值，體積固定，由ρ=

m

V

可知，密度為一定值，因此不能作為平衡狀態(tài)的標(biāo)志；
D．CO₂的體積分?jǐn)?shù)不隨時(shí)間而變化，說明各物質(zhì)的濃度保持不變，能說明該反應(yīng)已經(jīng)達(dá)到平衡狀態(tài)；
（3）標(biāo)準(zhǔn)狀況下的3.36L CO還原NO₂至N₂（CO完全反應(yīng)）的整個(gè)過程中放出的熱量，依據(jù)題給熱化學(xué)方程式結(jié)合蓋斯定律進(jìn)行合并消去一氧化碳，計(jì)算得到．

解答： 解：（1）反應(yīng)中C元素的化合價(jià)由0升高為+4價(jià)，Mn元素的化合價(jià)由+7價(jià)降低為+2價(jià)，該反應(yīng)中轉(zhuǎn)移20e^-，由電子守恒和質(zhì)量守恒定律可知得化學(xué)反應(yīng)為5C+4KMnO₄+6HSO₄=5CO₂↑+4MnSO₄+2K₂SO₄+6H₂O，轉(zhuǎn)移20e^-時(shí)，還原劑C為5個(gè)原子，2.408×10²⁴個(gè)電子發(fā)生轉(zhuǎn)移時(shí)，還原劑C的個(gè)數(shù)為6.02×10²³個(gè)，則C的物質(zhì)的量為1mol，質(zhì)量為1mol×12g/mol=12g，
故答案為：5；4；6；5；4；2；6；12g；
（2）①由表中數(shù)據(jù)可知，H₂的物質(zhì)的量變化量為1.6mol，v（H₂）=

1.6mol

2L×6min

=0.13mol/（L?min），CO₂和氫氣的化學(xué)計(jì)量數(shù)相等，因此v（CO₂）=v（H₂）=0.13mol/（L?min）；
CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）為等體積的反應(yīng)，實(shí)驗(yàn)2達(dá)到平衡時(shí)CO的體積分?jǐn)?shù)為

1.6mol

2.0mol+1.0mol

×100%=53.3%，
故答案為：0.13mol/（L?min）；53.3%；
②實(shí)驗(yàn)1中x=2.4+1.6=4，對于氫氣的物質(zhì)的量而言，2×0.40mol＜1.6mol，說明升高溫度平衡逆向移動(dòng)，則該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，因此降低溫度平衡正向移動(dòng)，平衡常數(shù)增大，
故答案為：降溫；
③可根據(jù)實(shí)驗(yàn)2計(jì)算平衡常數(shù)，
         H₂O（g）+CO（g） CO₂（g）+H₂（g）
初始 0.5mol/L    1mol/L              0       0
轉(zhuǎn)化 0.2mol/L   0.2mol/l         0.2mol/l    0.2mol/l 
平衡 0.3mol/L   0.8mol/L         0.2mol/l    0.2mol/l 
K=

0.2×0.2

0.3×0.8

=0.17，
Qc=

2×1.2

2×1.5

=0.8＞K，因此化學(xué)反應(yīng)向逆反應(yīng)方向移動(dòng)，所以v_正＜v_逆，
故答案為：＜；
④A．該反應(yīng)體系中全部為氣體，該反應(yīng)等物質(zhì)的量的反應(yīng)，由M=

m

n

可知，M為定值，所以容器中氣體的平均分子量是一個(gè)定值，因此不能作為平衡的依據(jù)；
B．消耗1mol H₂的同時(shí)消耗1mol CO說明正逆反應(yīng)速率相等，能說明該反應(yīng)已經(jīng)達(dá)到平衡狀態(tài)；
C．該反應(yīng)體系中全部為氣體，氣體的總質(zhì)量m為定值，體積固定，由ρ=

m

V

可知，密度為一定值，因此不能作為平衡狀態(tài)的標(biāo)志；
D．CO₂的體積分?jǐn)?shù)不隨時(shí)間而變化，說明各物質(zhì)的濃度保持不變，能說明該反應(yīng)已經(jīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，
故答案為：BD；
（3）汽車尾氣中主要含有CO、NO₂、SO₂、CO₂氣體，其中氮氧化物是引起光化學(xué)煙霧的原因，故NO₂能導(dǎo)致光化學(xué)煙霧的形成；
    ①CO（g）+NO₂（g）?NO（g）+CO₂（g）△H=-akJ?mol^-1（a＞0）
    ②2CO（g）+2NO（g）?N₂（g）+2CO₂（g）△H=-bkJ?mol^-1（b＞0）
①×2+②得到：4CO（g）+2NO₂（g）?4CO₂（g）+N₂（g）△H=-（2a+b）kJ?mol^-1
標(biāo)準(zhǔn)狀況下的3.36L CO的物質(zhì)的量═

3.36L

22.4L/mol

=0.15mol；根據(jù)合并得到的熱化學(xué)方程式可以計(jì)算得到標(biāo)準(zhǔn)狀況0.15molCO還原NO₂至N₂（CO完全反應(yīng)）的整個(gè)過程中放出的熱量為：

1

4

×[0.15mol×（2a+b ）]=

3(2a+b)

80

kJ；
故答案為：

3(2a+b)

80

kJ；4CO（g）+2NO₂（g）?4CO₂（g）+N₂（g）△H=-（2a+b）kJ?mol^-1．

點(diǎn)評：本題綜合性強(qiáng)，涉及氧化還原反應(yīng)的配平、轉(zhuǎn)移電子數(shù)的計(jì)算、化學(xué)平衡的判定以及化學(xué)常數(shù)的計(jì)算、熱化學(xué)方程式的書寫及計(jì)算，為高考核心考點(diǎn)，掌握好化學(xué)反應(yīng)原理是解題的關(guān)鍵．