(14分)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(yīng)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
⑴以CO2(g)與H2(g)為原料也可合成乙醇,其熱化學(xué)方程式如下:
2CO2(g)+6H2(g) CH3CH2OH(g)+3H2O(l) △H= 。
⑵CH4和H2O(g)在催化劑表面發(fā)生反應(yīng)CH4+H2OCO+3H2,該反應(yīng)在不同溫度下的化學(xué)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(yīng)是_____反應(yīng)(填“吸熱”或“放熱”);
②T℃時(shí),向1L密閉容器中投入1molCH4和1mol H2O(g),平衡時(shí)c(CH4)=0.5mol·L—1,該溫度下反應(yīng)CH4+H2OCO+3H2的平衡常數(shù)K= 。
⑶汽車使用乙醇汽油并不能減少NOx的排放,這使NOx的有效消除成為環(huán)保領(lǐng)域的重要課題。某研究小組在實(shí)驗(yàn)室以Ag-ZSM-5 為催化劑,測(cè)得NO轉(zhuǎn)化為N2的轉(zhuǎn)化率隨溫度變化情況如圖。
①若不使用CO,溫度超過(guò)775℃,發(fā)現(xiàn)NO的分解率降低,其可能的原因?yàn)?u> ;在n(NO)/n(CO)=1的條件下,應(yīng)控制的最佳溫度在 左右。
②用CxHy(烴)催化還原NOx也可消除氮氧化物的污染。寫出CH4與NO2發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式: 。
⑷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(dǎo)O2—離子。該電池負(fù)極的電極反應(yīng)式為 。
⑴—305.7 kJ·mol—1 ⑵①吸熱 ②6.75
⑶①該反應(yīng)是放熱反應(yīng),升高溫度反應(yīng)更有利于向逆反應(yīng)方向進(jìn)行 870℃
②CH4+2NO2→CO2+N2+2H2O ⑷CH3CH2OH—12e—+6O2—=2CO2+3H2O
【解析】(1)考查蓋斯定律的應(yīng)用。根據(jù)已知反應(yīng)可知,①-③×2-②即得到2CO2(g)+6H2(g) CH3CH2OH(g)+3H2O(l),所以該反應(yīng)熱是-256.1kJ/mol+41.2kJ/mol-44kJ/mol×3=-305.7kJ/mol。
(2)①隨著溫度的升高,平衡常數(shù)逐漸增大,所以正反應(yīng)是吸熱反應(yīng)。
②平衡時(shí)c(CH4)=0.5mol·L—1,所以消耗甲烷是0.5mol/L,則生成CO是0.5mol/L,氫氣是
1.5mol/L,剩余甲烷和水蒸氣都是0.5mol/L,所以平衡常數(shù)為。
(3)①應(yīng)用反應(yīng)是放熱反應(yīng),升高溫度反應(yīng)更有利于向逆反應(yīng)方向進(jìn)行,所以NO的分
解率降低。根據(jù)圖像可知,在n(NO)/n(CO)=1的條件下,溫度為870℃轉(zhuǎn)化率最高,所以
應(yīng)該控制的溫度是870℃。
②NO2能把甲烷氧化生成CO2、氮?dú)夂退,方程式為CH4+2NO2→CO2+N2+2H2O。
(4)原電池中負(fù)極失去電子,由于電解質(zhì)能傳遞O2—離子,而在原電池中陰離子是向負(fù)極
移動(dòng)的,所以負(fù)極方程式為CH3CH2OH—12e—+6O2—=2CO2+3H2O。
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