Question

2．能源、環(huán)境與人類生活密切相關(guān)，研究它們的綜合利用有重要意義．
Ⅰ．二甲醚可代替汽油作新型清潔燃料．常溫常壓下，二氧化碳加氫可選擇性生產(chǎn)二甲醚（CH₃OCH₃）或一氧化碳．已知二甲醚、氫氣的燃燒熱分別為-1455kJ/mol，-285.8kJ/mol
（1）寫出CO₂加氫轉(zhuǎn)化為CH₃OCH₃（g）和H₂O（l）的熱化學(xué)方程式2CO₂（g）+6H₂（g）=CH₃OCH₃（g）+3H₂O（l）△H=-259.8kJ•mol^-1，該反應(yīng)的平衡常數(shù)的表達(dá)式為）
$\frac{c（C{H}_{3}OC{H}_{3}）}{{c}^{2}（C{O}_{2}）{c}^{6}（{H}_{2}）}$．．
（2）等物質(zhì)的量的CO和H₂在一定條件下可合成CH₃OCH₃，同時還產(chǎn)生了一種可參與大氣循環(huán)的無機(jī)化合物，該反應(yīng)的化學(xué)方程式為：3CO+3H₂═CH₃OCH₃+CO₂．
（3）二甲醚燃料電池原理如圖1所示

①M(fèi)區(qū)發(fā)生的電極反應(yīng)式為CH₃OCH₃+3H₂O-12e^-=2CO₂+12H⁺．
②用上述電池做電源，用圖2裝置電解飽和氯化鉀溶液（電極均為惰性電極），設(shè)飽和氯化鉀溶液體積為500mL，當(dāng)溶液的pH值變?yōu)?3時（在常溫下測定），若該燃料電池的能量利用率為80%，則需消耗CH₃OCH₃的質(zhì)量為0.24g（假設(shè)溶液電解前后體積不變，保留2位有效數(shù)字）．
Ⅱ．硝化法是一種古老的生產(chǎn)硫酸的方法，同時實(shí)現(xiàn)了氮氧化物的循環(huán)轉(zhuǎn)化，主要反應(yīng)為：NO₂（g）+SO₂（g）?SO₃（g）+NO（g）△H=-41.8kJ•mol^-1
（1）下列說法中可以說明該反應(yīng)已達(dá)到平衡狀態(tài)的是bd
a．體系內(nèi)混合氣體的密度保持不變       h．v（NO₂）_正=v（SO₃）_逆
c．容器內(nèi)氣體的總壓強(qiáng)保持不變         d．NO體積分?jǐn)?shù)不再改變
（2）某溫度下，NO₂（g）+SO₂（g）?SO₃（g）+NO（g）的平衡常數(shù)K=$\frac{9}{4}$，該溫度下在甲、乙、丙三個體積為2L的恒容密閉容器中，投入NO₂（g）和SO₂（g），其起始濃度如表所示，

起始濃度	甲	乙	丙
c（NO2）/mol•L-1	0.10	0.20	0.20
c（SO2）/mol•L-1	0.10	0.10	0.20

①10min后，甲中達(dá)到平衡，則甲中反應(yīng)的平均速率v（NO₂）=0.006mol/（L•min）．
②丙達(dá)到平衡所用的時間＜10min（填“＜”“＞”“=”），達(dá)到平衡后，設(shè)甲、乙、丙中SO₂（g）的轉(zhuǎn)化率分別為a、b、c，則三者的大小關(guān)系為a=c＜b．

Answer 1

分析 I、（1）根據(jù)二甲醚、氫氣的燃燒熱分別為-1455kJ/mol，-285.8kJ/mol寫出熱化學(xué)方程式：CH₃OCH₃（g）+3O₂（g）=2CO₂（g）+3H₂O（l）△H=-1455kJ/mol①
H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═H₂O（l）△H=-285.8kJ/mol②
將②×6-①可得2CO₂（g）+6H₂（g）=CH₃OCH₃（g）+3H₂O（l）據(jù)此求出△H；
反應(yīng)的平衡常數(shù)的表達(dá)式K=$\frac{生成物的平衡濃度的冪之積}{反應(yīng)物的平衡濃度的冪之積}$；
（2）等物質(zhì)的量的CO和H₂在一定條件下可合成CH₃OCH₃，同時還產(chǎn)生了一種可參與大氣循環(huán)的無機(jī)化合物，即二氧化碳，據(jù)此寫出化學(xué)方程式；
（3）①由于氫離子移向N極，故N極為正極，M極為負(fù)極，故可燃物CH₃OCH₃放電生成二氧化碳，結(jié)合酸性環(huán)境來配平；
②該燃料電池的能量利用率為80%，即電池轉(zhuǎn)移電子的80%=電解中轉(zhuǎn)移電子，結(jié)合電子轉(zhuǎn)移守恒計(jì)算．
II、（1）當(dāng)一個量在平衡之前在變化，而后來不變了，則這個量可以作為平衡的標(biāo)志；
（2）①根據(jù)反應(yīng)中NO₂（g）和SO₂（g）的起始濃度分別為0.1mol/L，設(shè)在10min達(dá)到平衡時，NO₂濃度的該變量為x，根據(jù)三段式結(jié)合平衡常數(shù)來分析；
②由于容器體積相同，故丙中反應(yīng)物的濃度大于甲，據(jù)此分析反應(yīng)速率；由于是氣體體積不變的反應(yīng)，故甲和丙為等效平衡，而乙相當(dāng)于是向甲容器中加入NO₂，據(jù)此分析．

解答 解：I、（1）根據(jù)二甲醚、氫氣的燃燒熱分別為-1455kJ/mol，-285.8kJ/mol可知熱化學(xué)方程式：
CH₃OCH₃（g）+3O₂（g）=2CO₂（g）+3H₂O（l）△H=-1455kJ/mol①
H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═H₂O（l）△H=-285.8kJ/mol②
將②×6-①可得2CO₂（g）+6H₂（g）=CH₃OCH₃（g）+3H₂O（l）△H=（-285.8kJ/mol）×6-（-1455kJ/mol）=-259.8kJ•mol^-1；
反應(yīng)的平衡常數(shù)的表達(dá)式K=$\frac{生成物的平衡濃度的冪之積}{反應(yīng)物的平衡濃度的冪之積}$=$\frac{c（C{H}_{3}OC{H}_{3}）}{{c}^{2}（C{O}_{2}）{c}^{6}（{H}_{2}）}$；
故答案為：2CO₂（g）+6H₂（g）=CH₃OCH₃（g）+3H₂O（l）△H=-259.8kJ•mol^-1；$\frac{c（C{H}_{3}OC{H}_{3}）}{{c}^{2}（C{O}_{2}）{c}^{6}（{H}_{2}）}$；
（2）等物質(zhì)的量的CO和H₂在一定條件下可合成CH₃OCH₃，同時還產(chǎn)生了一種可參與大氣循環(huán)的無機(jī)化合物，即二氧化碳，故化學(xué)方程式為：3CO+3H₂=CH₃OCH₃+CO₂，故答案為：3CO+3H₂=CH₃OCH₃+CO₂；
（3）①由氫離子的移動方向可知，M區(qū)為負(fù)極，發(fā)生的電極反應(yīng)式為CH₃OCH₃+3H₂O-12e^-=2CO₂+12H⁺，故答案為：CH₃OCH₃+3H₂O-12e^-=2CO₂+12H⁺；
②用惰性電極，電解飽和KCl總的電極反應(yīng)式為2Cl^-+2H₂O$\frac{\underline{\;電解\;}}{\;}$H₂↑+Cl₂↑+2OH^-，pH值變?yōu)?3時，c（OH^-）=0.1mol/L，n（OH^-）=0.1mol/L×0.5L=0.05mol，
CH₃OCH₃～12e^-～12OH^-
 46g          12mol
x×80%        0.05mol，
解得x=0.24g，
故答案為：0.24．
故答案為：0.24g；
II、（1）a．由于反應(yīng)是氣體體積不變的反應(yīng)，且全部是氣體，故體系內(nèi)混合氣體的密度一直保持不變，故不能作為平衡的標(biāo)志，故a錯誤；
    b．反應(yīng)中v（NO₂）_正=v（SO₃）_正一直存在，而只有平衡時才有v（SO₃）_正=v（SO₃）_逆，故只有平衡時才有v（NO₂）_正=v（SO₃）_逆，故當(dāng)v（NO₂）_正=v（SO₃）_逆時
，反應(yīng)達(dá)平衡，故b正確；
c．由于反應(yīng)是氣體體積不變的反應(yīng)，故容器內(nèi)氣體的總物質(zhì)的量一直不變，則總壓強(qiáng)一直保持不變，故不能作為反應(yīng)達(dá)平衡的標(biāo)志，故c錯誤；
d．在反應(yīng)未平衡前，NO的消耗和生成速率不同，故NO體積分?jǐn)?shù)會改變，當(dāng)NO的體積分?jǐn)?shù)不變時，說明反應(yīng)達(dá)平衡，故d正確．
故選bd．
（2）①根據(jù)反應(yīng)中NO₂（g）和SO₂（g）的起始濃度分別為0.1mol/L，設(shè)在10min達(dá)到平衡時，NO₂濃度的該變量為x，根據(jù)三段式可知：
               NO₂（g）+SO₂（g）?SO₃（g）+NO（g）
初始（mol/L）：0.1            0.1           0           0
△C：x              x            x           x
平衡：0.1-x           0.1-x         x           x
根據(jù)平衡常數(shù)為$\frac{9}{4}$可知：$\frac{9}{4}$=$\frac{{x}^{2}}{（0.1-x）^{2}}$      解得x=0.06mol/L．
則平均速率v（NO₂）=$\frac{0.06mol/L}{10min}$=0.006mol/（L•min），故答案為：0.006mol/（L•min）；
②由于容器體積相同，且反應(yīng)為氣體體積不變的反應(yīng)，故按照等比加料，達(dá)到的是等效平衡，故甲和丙為等效平衡，即丙中所達(dá)的平衡狀態(tài)和甲相同，而由于丙中反應(yīng)物的濃度大于甲，故反應(yīng)速率比甲快，到達(dá)平衡的時間比10min短；由于甲和丙為等效平衡，故甲、丙中SO₂（g）的轉(zhuǎn)化率相等，而乙相當(dāng)于是向甲容器中加入NO₂，據(jù)故SO₂的轉(zhuǎn)化率大于甲，故三個容器中的轉(zhuǎn)化率的關(guān)系為a=c＜b．故答案為：＜；a=c＜b．

點(diǎn)評 本題綜合考查了熱化學(xué)方程式的書寫、燃料電池和反應(yīng)速率的計(jì)算、化學(xué)平衡等問題，綜合性較強(qiáng)，是高考的常見題型，應(yīng)注意掌握．