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(fā)展進(jìn)程的因素之一．甲醇、二甲醚等被稱為21世紀(jì)的綠色能源，工業(yè)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(jù)如圖1示意圖回答（1）、（2）有關(guān)問題：

（1）汽車發(fā)動機(jī)工作時會引發(fā)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(yīng)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(zhuǎn)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(yè)上一般采用下列兩種反應(yīng)合成甲醇：
反應(yīng)a：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49.5kJ•mol^-1
反應(yīng)b：CO （g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H=-91.8kJ•mol^-1
①對于反應(yīng)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(yīng)到達(dá)平衡時，測得甲醇蒸氣的體積分?jǐn)?shù)為30%，則該溫度下反應(yīng)的平衡常數(shù)為1.33；
②對于反應(yīng)b，在763K、3.04×10⁴kPa時，用CO和H₂做原料合成CH₃OH，當(dāng)原料中CO和H₂的比例不同時，對CO的轉(zhuǎn)化率及平衡混合物中甲醇的體積分?jǐn)?shù)都有影響．設(shè)H₂和CO起始物質(zhì)的量之比為m，平衡時CO的轉(zhuǎn)化率為α，平衡混合物中甲醇的體積分?jǐn)?shù)為y，則m、α、y三者的關(guān)系式為y=$\frac{α}{1+m+2a}$
（i）請根據(jù)上述關(guān)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(jù)表中提供的數(shù)據(jù)，可得出反應(yīng)物的比例對CO轉(zhuǎn)化率以及平衡混合物中甲醇的體積分?jǐn)?shù)影響的結(jié)論．選擇最佳反應(yīng)物配比是m=2，α=0.45；理由是由表中數(shù)據(jù)可知，m越大，α越大； 開始時m增大，y也隨著增大，當(dāng)m＞2時，m增大，y減小，當(dāng)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(xué)反應(yīng)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(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)．當(dāng)改變反應(yīng)的某一個條件后，下列變化能說明平衡一定向正反應(yīng)方向移動的是D；
A．逆反應(yīng)速率先增大后減小 
B．通入一定量的He，體系壓強(qiáng)增大
C．正反應(yīng)速率先減小后增大
D．化學(xué)平衡常數(shù)K值增大
②已知參與電極反應(yīng)的電極材料單位質(zhì)量放出電能的大小稱為該電池的比能量．關(guān)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(gòu)體，分子式和摩爾質(zhì)量相同，但比能量不相同
B．兩種燃料所含共價鍵數(shù)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(xué)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(yīng)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(dāng)于增大了固體的接觸面積，加快了化學(xué)反應(yīng)速率，對平衡無影響；
B．增大尾氣排放口，對反應(yīng)速率和平衡不產(chǎn)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(zhuǎn)化；
D．添加合適的催化劑，加快化學(xué)反應(yīng)速率，對平衡無影響；
（3）①設(shè)出達(dá)到平衡時甲醇的物質(zhì)的量，然后根據(jù)達(dá)到平衡時甲醇的百分含量計算出達(dá)到平衡時各組分的物質(zhì)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(yīng)的平衡常數(shù)；
②i．設(shè)H₂和CO起始物質(zhì)的量之比為m，平衡時CO的轉(zhuǎn)化率為α，平衡混合物中甲醇的體積分?jǐn)?shù)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(guān)系式為y=$\frac{α}{1-α+m-2α+α}$=$\frac{α}{1+m-2α}$
ii．根據(jù)表中提供的數(shù)據(jù)，可得出反應(yīng)物的比例對CO轉(zhuǎn)化率以及平衡混合物中甲醇的體積分?jǐn)?shù)影響的結(jié)論．選擇最佳反應(yīng)物配比；
（4）①根據(jù)影響化學(xué)平衡的因素進(jìn)行判斷滿足“平衡一定向正反應(yīng)方向移動”的選項；
②根據(jù)乙醇和二甲醚中結(jié)構(gòu)簡式不同，發(fā)生反應(yīng)時斷裂的化學(xué)鍵不同，反應(yīng)放出的能量不會相同，據(jù)此進(jìn)行判斷；
③燃燒熱是1mol可燃物完全燃燒生成穩(wěn)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(tài)水時放熱23kJ，32g甲醇燃燒生成CO₂和液態(tài)水時放熱23kJ×32=736kJ，1mol甲醇質(zhì)量為32克，所以完全燃燒1mol甲醇生成二氧化碳和液態(tài)水放熱736KJ，根據(jù)燃燒熱的概念分析即可解答．

解答 解：（1）設(shè)NO中氮氧鍵的鍵能為x，△H=反應(yīng)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(yīng)為放熱反應(yīng)，
A．增加排氣管長度，增大了相當(dāng)于增大了固體的接觸面積，加快了化學(xué)反應(yīng)速率，故A正確；
B．增大尾氣排放口，對反應(yīng)速率和平衡不產(chǎn)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(zhuǎn)化，故C錯誤；
D．添加合適的催化劑，加快化學(xué)反應(yīng)速率，故D正確；
故答案為：AD；
（3）按反應(yīng)a充分反應(yīng)達(dá)到平衡后，設(shè)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(dá)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(dá)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(yīng)的平衡常數(shù)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(shè)H₂和CO起始物質(zhì)的量之比為m，平衡時CO的轉(zhuǎn)化率為α，平衡混合物中甲醇的體積分?jǐn)?shù)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(guān)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(jù)表中提供的數(shù)據(jù)，可得出反應(yīng)物的比例對CO轉(zhuǎn)化率以及平衡混合物中甲醇的體積分?jǐn)?shù)影響的結(jié)論．選擇最佳反應(yīng)物配比，m=2，α=0.45時甲醇體積分?jǐn)?shù)最大，由表中數(shù)據(jù)可知，m越大，α越大； 開始時m增大，y也隨著增大，當(dāng)m＞2時，m增大，y減小，當(dāng)m=2時，y最大，
故答案為：2；0.45； 由表中數(shù)據(jù)可知，m越大，α越大； 開始時m增大，y也隨著增大，當(dāng)m＞2時，m增大，y減小，當(dāng)m=2時，y最大；
（4）①A．逆反應(yīng)速率先增大后減小，可以升高溫度，正逆反應(yīng)速率都增大，平衡向著逆向移動，滿足了逆反應(yīng)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(qiáng)增大，氣體分液不變，平衡不變，故B錯誤；
C．反應(yīng)物的體積百分含量減小，如減少反應(yīng)物濃度，平衡會向著逆向移動，故C錯誤；
D．化學(xué)平衡常數(shù)K值增大，說明生成物的濃度增大，反應(yīng)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(xué)反應(yīng)實質(zhì)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(guān)，而二甲醚和乙醇分子中化學(xué)鍵類型不同，所以反應(yīng)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(tài)水放熱725.8KJ，燃燒熱熱化學(xué)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(xué)平衡的調(diào)控作用、化學(xué)平衡的影響因素、化學(xué)平衡常數(shù)的計算、化學(xué)平衡狀態(tài)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(xué)生對化學(xué)平衡，試題培養(yǎng)了學(xué)生的分析、理解能力及化學(xué)計算能力．