Question

【題目】氮是地球上含量豐富的一種元素，氮及其化合物在工農業生產、生活中有著重要作用。請回答下列問題：

(1)下圖是1 mol NO2和1 mol CO反應生成CO2 和NO過程中的能量變化示意圖，請寫出NO2 和CO反應的熱化學方程式 _______________________________________。

(2)在0.5 L的密閉容器中，一定量的氮氣和氫氣進行如下化學反應：N2(g)+3H2(g)2NH3(g) ΔH＜0，其化學平衡常數K與溫度T的關系如下表：

T/℃	200	300	400
K	K1	K2	0.5

請回答下列問題：

①試比較K1、K2的大小，K1_________K2(填”＞”“=“或”＜”)。

②下列各項能作為判斷該反應達到化學平衡狀態的依據是_________(填序號字母)。

a．容器內N2、H2、NH3的濃度之比為1：3：2 b．3v正(N2)= v逆(H2)

c．容器內壓強保持不變 d．混合氣體的密度保持不變

③400℃時，反應2NH3(g) N2(g)+3H2(g)的平衡常數K為______。當測得NH3、N2、H2的濃度分別為3 mol L1、2 mol L1、1 mol L1時，則該反應的v正(N2)____v逆(N2)(填”＞”“=“或”＜”)。

(3)在容積為2 L的密閉容器中，充入一定量CO2和H2合成甲醇(CO2(g)＋3H2(g)CH3OH(g)＋H2O(g) ΔH2＝－58 kJ·mol1)，在其他條件不變時，溫度T1、T2對反應的影響圖像如圖。

①溫度為T1時，從反應到平衡，生成甲醇的平均速率為v(CH3OH)＝______mol·L1·min1。

②圖示的溫度T1______T2(填寫“>”、“<”或“=”)。

(4)以甲烷為燃料的新型電池的成本大大低于以氫氣為燃料的傳統燃料電池，下圖是目前研究較多的一類固體氧化物燃料電池的工作原理示意圖。

①B電極的反應式為_____________________________________。

②若用該燃料電池作電源，用石墨作電極電解100 mL 1 mol·L1的硫酸銅溶液，當兩極收集到的氣體體積相等時，理論上消耗甲烷的體積為_________(標準狀況)。

Answer 1

【答案】NO2(g)+CO(g)= NO(g)+CO2(g) ΔH=234 kJ mol1 ＞ bc 2 ＞ nA /2tA ＜ CH4＋4O2－8e =CO2＋2H2O 1.12 L

【解析】

（1）由圖可知：NO2和CO反應為放熱反應，1 mol NO2和1 mol CO反應生成CO2 和NO放出234kJ的熱量，據此寫出熱化學方程式；

（2）①由△H＜0可知，該反應為放熱反應，升高溫度，平衡逆向移動，K減小；

②根據化學平衡狀態的特征：正逆反應速率相等、各組分別濃度不變等來回答；

③400℃時，2NH3(g)N2(g)+3H2(g)與 N2(g)+3H2(g)2NH3(g)的平衡常數互為倒數關系；
計算此時濃度商Qc，若Qc=K，處于平衡狀態，若Qc＜K，反應向正反應進行，若Qc＞K，反應向逆反應進行。

（3）①根據圖像中數值用公式v=計算 v(CH3OH)；

②用“先拐先平”法分析，圖像中T2先出現拐點，T2反應速率快，則T1< T2；

（4）①由陰離子移動方向可以知道B為負極，負極發生氧化反應，甲烷被氧化生成二氧化碳和水，A極是正極，該電極上是氧氣得電子的還原反應；
②開始階段發生反應：2Cu2++2H2O2Cu+O2↑+4H+，銅離子完全放電后，發生反應2H2O2H2↑+ O2↑，當兩極收集到的氣體體積相等時，即氫氣與氧氣的體積相等，令氫氣為xmol，根據電子轉移守恒列方程計算，再根據電子轉移守恒計算消耗的甲烷。

（1）由圖可知：NO2和CO反應的熱化學方程式為：NO2(g)+CO(g)CO2(g)+NO(g) △H＝－234kJ/mol 。

因此，本題正確答案是：NO2(g)+CO(g)= NO(g)+CO2(g) ΔH=234 kJ mol1；

（2）①升高溫度化學平衡向吸熱反應方向移動。由于該反應的正反應是放熱反應。所以升高溫度化學平衡向逆反應方向移動。平衡越向逆反應方向移動，反應的平衡常數就越小。所以K1 >K2。

因此，本題正確答案是：＞；

②a平衡時各物質的濃度與起始加入的物質的多少有關。只要平衡時各種物質的濃度不變，反應就達到了平衡。錯誤。

b．在任何時刻都有3 v正(N2)= v正(H2)，而3v正(N2)= v逆(H2)，代入第一個式子可得v正(H2)= v逆(H2)。反應達到平衡。正確。

c．由于容器的容積不變，若反應達到平衡，各種物質的物質的量不變，容器內壓強也保持不變 。正確。

d．反應無論進行到什么程度，質量都不會發生變化，那么任何時刻混合氣體的密度都保持不變。所以不能根據容器的容積不變來判斷反應達到平衡。錯誤。

因此，本題正確答案是：bc；

③400℃時，2NH3(g)N2(g)+3H2(g)的化學平衡常數和反應N2(g)+3H2(g)2NH3(g)的化學平衡常數互為倒數。即為2。

由于濃度商Qc===<0.5，所以反應向正反應方向移動。即v正(N2)>v逆(N2)。

因此，本題正確答案是：2 ；＞ ；

（3）①根據圖像，溫度為T1時，從反應到平衡反應生成CH3OH的物質的量為nAmol，生成甲醇的平均速率v(CH3OH)== nA /2tA mol·L1·min1；

因此，本題正確答案是：nA /2tA；

②用“先拐先平”法分析，圖像中T2先出現拐點，T2反應速率快，根據溫度對反應速率的影響知：T1< T2；

因此，本題正確答案是：<；

（4）①由陰離子移動方向可以知道B為負極，負極發生氧化反應，甲烷被氧化生成二氧化碳和水，電極的反應式為CH4＋4O2－8e =CO2＋2H2O ，A極是正極，該電極上是氧氣得電子的還原反應；

因此，本題正確答案是：CH4＋4O2－8e =CO2＋2H2O；
②硫酸銅的物質的量=0.1L×1mol/L=0.1mol，開始階段發生反應：2Cu2++2H2O2Cu+O2↑+4H+，銅離子完全放電后，發生反應2H2O2H2↑+ O2↑，當兩極收集到的氣體體積相等時，即氫氣與氧氣的體積相等，令氫氣為xmol，

根據電子轉移守恒，則：0.1mol×2+2x=4x，解得x=0.1，

根據電子轉移守恒，可以知道消耗甲烷的物質的量==0.05mol，

故消耗甲烷的體積=0.05mol×22.4L/mol=1.12L,

因此，本題正確答案是：1.12L。