Question

【題目】處理、回收利用CO是環境科學家研究的熱點課題。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所發生的反應原理為:有人提出上述反應可以用“Fe+”作催化劑。

其總反應分兩步進行:（1）第一步:;第二步:____ (寫反應方程式)。

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

Ⅱ.合成天然氣(SNG)涉及的主要反應原理如下:

CO甲烷化:

水煤氣變換:

（3）反應的△H= ___kJ/mol。

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

a.溫度:T1<T2<T3

b.正反應速率:v(e)>v(c)>v(b)

c.平衡常數:K(a)<K(d)<K(c)

d.平均摩爾質量:M(a)>M(b)=M(e)

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

組分	H2	CO	CH4	H2O	CO2
體積分數	8.50	1.50	45.0	44.0	1.00

則該條件下CO的總轉化率α= ___。 (保留一位小數)

（6）將制備的CH4用來組成下圖所示燃料電池電解制備N2O5

①陽極的電極反應為_____。

②理論上制備1molN2O5，石墨2電極消耗氣體的體積為_____L(標準狀況)。

Answer 1

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

【解析】

（1）根據催化劑定義可知第二步反應中，中間產物（FeO+）氧化CO生成CO2本身被還原成Fe+；

（2）第二步反應對總反應速率沒有影響，說明第一步是慢反應，控制總反應速率；

（3）根據蓋斯定律進行分析計算；

（4）a．該反應為放熱反應，相同壓強下溫度越高CO的平衡轉化率越小；

b．溫度越高反應速率越快；相同溫度下壓強越大，反應速率越快；

c．該反應正反應為放熱反應，溫度越高平衡常數越小；

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

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

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

②根據陽極反應方程式可知，制備1mol N2O5，轉移電子1mol，石墨2電極反應為O2+4e-+2CO2=2CO32-，轉移1mol電子需要消耗0.25mol氧氣和0.5mol二氧化碳，據此計算出消耗氣體標況下體積。

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

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

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

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

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

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

綜上所述選ad；

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

（6）①圖中左側裝置為燃料電池，通入CH4的一極為原電池的負極，發生氧化反應，通入氧氣氣體一極為原電池的正極，發生還原反應；則右側裝置中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根據陽極反應方程式可知，制備1mol N2O5，轉移電子1mol，石墨2電極反應為O2+4e-+2CO2=2CO32-，轉移1mol電子需要消耗0.25mol氧氣和0.5mol二氧化碳，消耗氣體標況下體積為0.75mol×22.4L/mol=16.8L。