Question

【題目】處理、回收利用CO是環(huán)境科學(xué)家研究的熱點(diǎn)課題。回答下列問題:

Ⅰ.處理大氣污染物

CO用于處理大氣污染物N2O所發(fā)生的反應(yīng)原理為:有人提出上述反應(yīng)可以用“Fe+”作催化劑。

其總反應(yīng)分兩步進(jìn)行:（1）第一步:;第二步:____ (寫反應(yīng)方程式)。

（2）第二步反應(yīng)不影響總反應(yīng)達(dá)到平衡所用時間,由此推知,第二步反應(yīng)速率____ 第一步反應(yīng)速率(填“大于”“小于”或“等于”)。

Ⅱ.合成天然氣(SNG)涉及的主要反應(yīng)原理如下:

CO甲烷化:

水煤氣變換:

（3）反應(yīng)的△H= ___kJ/mol。

（4）在一恒容容器中,按照nmolCO和3nmolH2投料發(fā)生CO甲烷化反應(yīng),測得CO在不同溫度下的平衡轉(zhuǎn)化率與壓強(qiáng)的關(guān)系如右圖所示,下列說法正確的是_____(填標(biāo)號)。

a.溫度:T1<T2<T3

b.正反應(yīng)速率:v(e)>v(c)>v(b)

c.平衡常數(shù):K(a)<K(d)<K(c)

d.平均摩爾質(zhì)量:M(a)>M(b)=M(e)

（5）在恒壓管道反應(yīng)器中,按n(H2)︰n(CO)=3︰1通入原料氣發(fā)生CO甲烷化反應(yīng),400℃、P總為100kPa時反應(yīng)體系平衡組成如下表所示。

組分	H2	CO	CH4	H2O	CO2
體積分?jǐn)?shù)	8.50	1.50	45.0	44.0	1.00

則該條件下CO的總轉(zhuǎn)化率α= ___。 (保留一位小數(shù))

（6）將制備的CH4用來組成下圖所示燃料電池電解制備N2O5

①陽極的電極反應(yīng)為_____。

②理論上制備1molN2O5，石墨2電極消耗氣體的體積為_____L(標(biāo)準(zhǔn)狀況)。

Answer 1

【答案】FeO++CO=Fe++CO2 大于 -165 ad N2O4+2HNO3-2e-=2N2O5+2H+ 16.8

【解析】

（1）根據(jù)催化劑定義可知第二步反應(yīng)中，中間產(chǎn)物（FeO+）氧化CO生成CO2本身被還原成Fe+；

（2）第二步反應(yīng)對總反應(yīng)速率沒有影響，說明第一步是慢反應(yīng)，控制總反應(yīng)速率；

（3）根據(jù)蓋斯定律進(jìn)行分析計算；

（4）a．該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，相同壓強(qiáng)下溫度越高CO的平衡轉(zhuǎn)化率越小；

b．溫度越高反應(yīng)速率越快；相同溫度下壓強(qiáng)越大，反應(yīng)速率越快；

c．該反應(yīng)正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，溫度越高平衡常數(shù)越小；

d．氣體的質(zhì)量不變，所以平衡正向移動氣體物質(zhì)的量減小，平均摩爾質(zhì)量增大，即CO的轉(zhuǎn)化率越大；

（5）設(shè)n（H2）=3mol、n（CO）=1mol，恒壓恒溫條件下氣體的體積分?jǐn)?shù)之比等于物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)之比，設(shè)平衡時混合氣體總物質(zhì)的量為xmol，根據(jù)C原子守恒得（45.0%+1.00%+1.5%）×xmol=1mol，解得x，從而計算出CO的轉(zhuǎn)化率。

（6）①圖中左側(cè)裝置為燃料電池，通入CH4的一極為原電池的負(fù)極，發(fā)生氧化反應(yīng)，通入氧氣氣體一極為原電池的正極，發(fā)生還原反應(yīng)；則右側(cè)裝置中Pt2電極為陰極，Pt1電極為陽極極；陽極N2O4被氧化成N2O5；

②根據(jù)陽極反應(yīng)方程式可知，制備1mol N2O5，轉(zhuǎn)移電子1mol，石墨2電極反應(yīng)為O2+4e-+2CO2=2CO32-，轉(zhuǎn)移1mol電子需要消耗0.25mol氧氣和0.5mol二氧化碳，據(jù)此計算出消耗氣體標(biāo)況下體積。

（1）根據(jù)催化劑定義可知第二步反應(yīng)中，中間產(chǎn)物（FeO+）氧化CO生成CO2本身被還原成Fe+，方程式為：FeO++CO=Fe++CO2；

（2）第二步反應(yīng)對總反應(yīng)速率沒有影響，說明第一步是慢反應(yīng)，控制總反應(yīng)速率，第二步反應(yīng)速率大于第一步反應(yīng)速率；

（3）由①CO（g）+3H2（g）CH4（g）+H2O（g）△H1=-206.2kJmol-1
②CO（g）+H2O（g）CO2（g）+H2（g）△H2=-41.2kJmol-1
結(jié)合蓋斯定律可知，①-②得到CO2（g）+4H2（g）CH4（g）+2H2O（g）△H=-206.2kJmol-1-（-41.2kJmol-1）=-165kJ/mol；

（4）a．該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，相同壓強(qiáng)下溫度越高CO的平衡轉(zhuǎn)化率越小，所以溫度溫度:T1<T2<T3，故a正確；

b．溫度越高反應(yīng)速率越快，所以v(c)>v(b)，相同溫度下壓強(qiáng)越大，反應(yīng)速率越快，所以v(e)<v(c)，故b錯誤；

c．該反應(yīng)正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，溫度越高平衡常數(shù)越小，所以K(a)>K(d)>K(c)，故c錯誤；

d．氣體的質(zhì)量不變，所以平衡正向移動氣體物質(zhì)的量減小，平均摩爾質(zhì)量增大，即CO的轉(zhuǎn)化率越大，平均摩爾質(zhì)量越大，所以:M(a)>M(b)=M(e)，故d正確；

綜上所述選ad；

（5）設(shè)n（H2）=3mol、n（CO）=1mol，恒壓恒溫條件下氣體的體積分?jǐn)?shù)之比等于物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)之比，設(shè)平衡時混合氣體總物質(zhì)的量為xmol，根據(jù)C原子守恒得（45.0%+1.00%+1.5%）×xmol=1mol，解得x=mol，則CO的轉(zhuǎn)化為；

（6）①圖中左側(cè)裝置為燃料電池，通入CH4的一極為原電池的負(fù)極，發(fā)生氧化反應(yīng)，通入氧氣氣體一極為原電池的正極，發(fā)生還原反應(yīng)；則右側(cè)裝置中Pt2電極為陰極，Pt1電極為陽極極；陽極N2O4被氧化成N2O5，電極方程式為：N2O4+2HNO3-2e-=2N2O5+2H+；

②根據(jù)陽極反應(yīng)方程式可知，制備1mol N2O5，轉(zhuǎn)移電子1mol，石墨2電極反應(yīng)為O2+4e-+2CO2=2CO32-，轉(zhuǎn)移1mol電子需要消耗0.25mol氧氣和0.5mol二氧化碳，消耗氣體標(biāo)況下體積為0.75mol×22.4L/mol=16.8L。