Question

20．乙醇汽油是被廣泛使用的新型清潔燃料，工業(yè)生產(chǎn)乙醇的一種反應原理為：
2CO（g）+4H₂（g）?CH₃CH₂OH（g）+H₂O（g）△H=-256.1kJ•mol^-1．
已知：H₂O（l）=H₂O（g）△H=+44kJ•mol^-1   CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H=-41.2kJ•mol^-1
（1）以CO₂（g）與H₂（g）為原料也可合成乙醇，其熱化學方程式如下：2CO₂（g）+6H₂（g）?CH₃CH₂OH（g）+3H₂O（l）△H=：-305.7 kJ•mol^-1．
（2）CH₄和H₂O（g）在催化劑表面發(fā)生反應CH₄+H₂O?CO+3H₂，該反應在不同溫度下的化學平衡常數(shù)如下表：

溫度/℃	800	1000	1200	1400
平衡常數(shù)	0.45	1.92	276.5	1771.5

①該反應是吸熱反應（填“吸熱”或“放熱”）；
②T℃時，向1L密閉容器中投入1mol CH₄和1mol H₂O（g），平衡時c（CH₄）=0.5mol•L^-1，該溫度下反應CH₄+H₂O?CO+3H₂的平衡常數(shù)K=6.75．
（3）汽車使用乙醇汽油并不能減少NO_x的排放，這使NO_x的有效消除成為環(huán)保領域的重要課題．某研究小組在實驗室以Ag-ZSM-5為催化劑，測得NO轉化為N₂的轉化率隨溫度變化情況如圖．
①若不使用CO，溫度超過775K，發(fā)現(xiàn)NO的分解率降低，其可能的原因為該反應是放熱反應，升高溫度反應更有利于向逆反應方向進行；在$\frac{n（NO）}{n（CO）}$=1的條件下，應控制的最佳溫度在870℃左右．
②用C_xH_y（烴）催化還原NO_x也可消除氮氧化物的污染．寫出CH₄與NO₂發(fā)生反應的化學方程式CH₄+2NO₂→CO₂+N₂+2H₂O．
（4）乙醇-空氣燃料電池中使用的電解質(zhì)是攙雜了Y₂O₃的ZrO₂晶體，它在高溫下能傳導O^2-離子．該電池負極的電極反應式為CH₃CH₂OH-12e^-+6O^2-=2CO₂+3H₂O．

Answer 1

分析 （1）反應①2CO（g）+4H₂（g）?CH₃CH₂OH（g）+H₂O（g）△H=-256.1kJ•mol^-1，②H₂O（l）=H₂O（g）△H=+44kJ•mol^-1，③CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H=-41.2kJ•mol^-1，根據(jù)蓋斯定律將①-3×②-2×③，可得反應2CO₂（g）+6H₂（g）?CH₃CH₂OH（g）+3H₂O（l），據(jù)此計算反應熱；
（2）根據(jù)平衡移動判斷反應的熱量變化；根據(jù)平衡常數(shù)表達式計算其數(shù)值；
（3）升高溫度，發(fā)現(xiàn)NO的分解率降低，說明反應向逆反應方向進行，該反應放熱；
（4）乙醇在燃料電池的負極失去12個電子，發(fā)生氧化反應．

解答 解：（1）反應①2CO（g）+4H₂（g）?CH₃CH₂OH（g）+H₂O（g）△H=-256.1kJ•mol^-1，②H₂O（l）=H₂O（g）△H=+44kJ•mol^-1，③CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H=-41.2kJ•mol^-1，根據(jù)蓋斯定律將①-3×②-2×③，可得反應2CO₂（g）+6H₂（g）?CH₃CH₂OH（g）+3H₂O（l），所以△H=①-3×②-2×③，則△H=-305.7 kJ•mol^-1，
故答案為：-305.7 kJ•mol^-1；
（2）①溫度升高，平衡常數(shù)增大即平衡向正反應方向移動，故該反應為吸熱反應，
故答案為：吸熱；
②T℃時，向1L密閉容器中投入1molCH₄和1mol H₂O（g），平衡時c（CH₄）=0.5mol•L^-1，該溫度K=$\frac{c（CO）•c{\;}^{3}（H{\;}_{2}）}{c（CH{\;}_{4}）•c（H{\;}_{2}O）}$=$\frac{0.5×1.5{\;}^{3}}{0.5×0.5}$=6.75，
故答案為：6.75；
（3）①升高溫度，發(fā)現(xiàn)NO的分解率降低，說明反應向逆反應方向進行，該反應放熱；由圖可知，在$\frac{n（NO）}{n（CO）}$=1的條件下，870℃時，NO還原為N₂的轉化率為100%，
故答案為：該反應是放熱反應，升高溫度反應更有利于向逆反應方向進行；870℃；
②CH₄與NO₂發(fā)生反應生成無毒的N₂、CO₂和H₂O，反應為CH₄+2NO₂→CO₂+N₂+2H₂O，
故答案為：CH₄+2NO₂→CO₂+N₂+2H₂O；
（4）乙醇在燃料電池的負極失去12個電子，發(fā)生氧化反應，電極反應式為CH₃CH₂OH-12e^-+6O^2-=2CO₂+3H₂O，
故答案為：CH₃CH₂OH-12e^-+6O^2-=2CO₂+3H₂O．

點評 本題考查蓋斯定律的應用、放熱反應與吸熱反應、熱化學方程式的書寫．難度中等．根據(jù)圖象分析出分解率的變化特點是解題的關鍵．