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(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
（1）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=：-305.7 kJ•mol^-1．
（2）CH₄和H₂O（g）在催化劑表面發(fā)生反應(yīng)CH₄+H₂O?CO+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)是吸熱反應(yīng)（填“吸熱”或“放熱”）；
②T℃時(shí)，向1L密閉容器中投入1mol CH₄和1mol H₂O（g），平衡時(shí)c（CH₄）=0.5mol•L^-1，該溫度下反應(yīng)CH₄+H₂O?CO+3H₂的平衡常數(shù)K=6.75．
（3）汽車(chē)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(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)775K，發(fā)現(xiàn)NO的分解率降低，其可能的原因?yàn)樵摲磻?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；在$\frac{n（NO）}{n（CO）}$=1的條件下，應(yīng)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(xiě)出CH₄與NO₂發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)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(dǎo)O^2-離子．該電池負(fù)極的電極反應(yīng)式為CH₃CH₂OH-12e^-+6O^2-=2CO₂+3H₂O．

Answer 1

分析 （1）反應(yīng)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(yīng)2CO₂（g）+6H₂（g）?CH₃CH₂OH（g）+3H₂O（l），據(jù)此計(jì)算反應(yīng)熱；
（2）根據(jù)平衡移動(dòng)判斷反應(yīng)的熱量變化；根據(jù)平衡常數(shù)表達(dá)式計(jì)算其數(shù)值；
（3）升高溫度，發(fā)現(xiàn)NO的分解率降低，說(shuō)明反應(yīng)向逆反應(yīng)方向進(jìn)行，該反應(yīng)放熱；
（4）乙醇在燃料電池的負(fù)極失去12個(gè)電子，發(fā)生氧化反應(yīng)．

解答 解：（1）反應(yīng)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(yīng)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(yīng)方向移動(dòng)，故該反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，
故答案為：吸熱；
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(shuō)明反應(yīng)向逆反應(yīng)方向進(jìn)行，該反應(yīng)放熱；由圖可知，在$\frac{n（NO）}{n（CO）}$=1的條件下，870℃時(shí)，NO還原為N₂的轉(zhuǎn)化率為100%，
故答案為：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與NO₂發(fā)生反應(yīng)生成無(wú)毒的N₂、CO₂和H₂O，反應(yīng)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(fù)極失去12個(gè)電子，發(fā)生氧化反應(yīng)，電極反應(yīng)式為CH₃CH₂OH-12e^-+6O^2-=2CO₂+3H₂O，
故答案為：CH₃CH₂OH-12e^-+6O^2-=2CO₂+3H₂O．

點(diǎn)評(píng) 本題考查蓋斯定律的應(yīng)用、放熱反應(yīng)與吸熱反應(yīng)、熱化學(xué)方程式的書(shū)寫(xiě)．難度中等．根據(jù)圖象分析出分解率的變化特點(diǎn)是解題的關(guān)鍵．