Question

由H、C、N、O、S等元素形成多种化合物在生产生活中有着重要应用。

I.化工生产中用甲烷和水蒸气反应得到以CO和H₂为主的混合气体，这种混合气体可用于生产甲醇，回答下列问题：

（1）对甲烷而言，有如下两个主要反应：

①CH₄(g)+1/2O₂(g)=CO(g)+2H₂(g)△H₁=-36kJ·mol^-1

2CH₄(g)+H₂O(g)=CO(g)+3H₂(g)△H₂=+216kJ·mol^-1

若不考虑热量耗散，物料转化率均为100%，最终炉中出来的气体只有CO、H₂，为维持热平衡，每生产lmolCO，转移电子的数目为______________________。

（2）甲醇催化脱氢可制得重要的化工产品一甲醛，制备过程中能量的转化关系如图所示。

①写出上述反应的热化学方程式________________________________。

②反应热大小比较：过程I________过程Ⅱ(填“大 于”、“小于”或“等于”)。

Ⅱ.（3）汽车使用乙醇汽油并不能减少NO_x的排放，这使NO_x的有效消除成为环保领城的重要课题。某研究性小组在实验室以Ag-ZSM-5为催化剂，测得NO转化为N₂的转化率随温度变化情况如图所示。若不使用CO，温度超过775K，发现NO的分解率降低。其可能的原因为_____________________________________，在n(NO)/n(CO)=1的条件下，为更好的除去NO_x物质，应控制的最佳温度在_______K左右。

（4）车辆排放的氮氧化物、煤燃烧产生的二氧化硫是导致雾霾天气的“罪魁祸首”。活性炭可处理大气污染物NO。在5L密闭容器中加入NO和活性炭(假设无杂质)，一定条件下生成气体E和F。当温度分别在T₁℃和T₂℃时，测得各物质平衡时物质的量(n/mol)如下表：

物质 温度℃	活性炭	NO	E	F
初始	3.000	0.10	0	0
T1	2.960	0.020	0.040	0.040
T2	2.975	0.050	0.025	0.025

①写出NO与活性炭反应的化学方程式_________________________________________；

②若T₁＜T₂，则该反应的ΔH_________0(填“＞”、“＜”或“=”)；

③上述反应T₁℃时达到化学平衡后再通入0.1mol NO气体，则达到新化学平衡时NO的转化率为______。

Answer

6NA CH3OH(g)=HCHO(g)+H2(g) ΔH=+(E2-E1)kJ/mol 等于 NO分解反应是放热反应，升高温度不利于反应进行(只写升高温度不利于反应进行也得满分，其他合理说法也得分) 870(接近即可给分) C(s)+2NO(g)CO2(g)+N2(g) ＜ 80%

【解析】

（1）为维持热平衡，①×6+②相加可得7CH4(g)+3O2(g)+H2O(g)=7CO(g)+15H2(g) △H=0，反应中生成7molCO转移电子总数42mol，所以产生lmolCO转移的电子数为6NA。

（2）①根据图示所示，ΔH=生成物总能量-反应物总能量=(E2-E1)kJ/mol，反应的热化学方程式为：CH3OH(g)=HCHO(g)+H2(g) ΔH=+(E2-E1)kJ/mol。

②ΔH为E2和E1的差值，根据图示可知E2-E1的差值没有发生变化，所以过程I和过程Ⅱ反应热相等。

（3）从图像变化可以看出，当不使用CO时，温度超过775K，发现NO的分解率降低，说明NO分解反应是放热反应，升高温度，平衡左移，不利于反应向右进行；在n(NO)/n(CO)=1的条件下，为更好的除去NOx物质，要求NO转化率越大越好，根据图像分析，应控制的最佳温度在870K左右。

（4）①根据表中信息：反应物的变化量分别为：∆n(C)=0.04 mol，∆n(NO)=0.08 mol，∆n(E)=∆n(F)=0.04 mol，即各物质的系数之比为1:2:1:1，根据原子守恒规律可知反应的方程式为：C(s)+2NO(g)CO2(g)+N2(g)。

②温度为T1℃，∆n(NO)=0.08 mol，温度为T2℃，∆n(NO)=0.05 mol，若T1＜T2，升高温度，平衡左移，∆n(NO)减少，该反应正反应为放热反应。

③T1℃时，发生如下反应C(s) + 2NO(g)CO2(g)+ N2(g)，反应前后体积不变，可以用物质的量计算平衡常数，反应的平衡常数为K=c(N2) c(CO2)/c2(NO)=(0.04)2/(0.02)2=4；上述反应T1℃时达到化学平衡后再通入0.1mol NO气体，设反应生成CO2为xmol, 则：

由于温度不变，平衡常数保持不变；[（0.04+ x）]2/[(0.12-2x)]2=4，解之x=0.04，则达到新化学平衡时NO的转化率为（0.2-0.04）/0.2×100%=80%。