Question

处理、回收利用CO是环境科学家研究的热点课题。回答下列问题:

Ⅰ.处理大气污染物

CO用于处理大气污染物N₂O所发生的反应原理为:有人提出上述反应可以用“Fe⁺”作催化剂。

其总反应分两步进行:（1）第一步:;第二步:____ (写反应方程式)。

（2）第二步反应不影响总反应达到平衡所用时间,由此推知,第二步反应速率____ 第一步反应速率(填“大于”“小于”或“等于”)。

Ⅱ.合成天然气(SNG)涉及的主要反应原理如下:

CO甲烷化:      

水煤气变换:

（3）反应的△H= ___kJ/mol。

（4）在一恒容容器中,按照nmolCO和3nmolH₂投料发生CO甲烷化反应,测得CO在不同温度下的平衡转化率与压强的关系如右图所示,下列说法正确的是_____(填标号)。

a.温度:T₁<T₂<T₃

b.正反应速率:v_(e)>v_(c)>v_(b)

c.平衡常数:K_(a)<K_(d)<K_(c)

d.平均摩尔质量:M_(a)>M_(b)=M_(e)

（5）在恒压管道反应器中,按n(H₂)︰n(CO)=3︰1通入原料气发生CO甲烷化反应,400℃、P_总为100kPa时反应体系平衡组成如下表所示。

组分	H2	CO	CH4	H2O	CO2
体积分数	8.50	1.50	45.0	44.0	1.00

则该条件下CO的总转化率α= ___。 (保留一位小数)

（6）将制备的CH₄用来组成下图所示燃料电池电解制备N₂O₅

①阳极的电极反应为_____。

②理论上制备1molN₂O₅，石墨2电极消耗气体的体积为_____L(标准状况)。

Answer

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

【解析】

（1）根据催化剂定义可知第二步反应中，中间产物（FeO+）氧化CO生成CO2本身被还原成Fe+；

（2）第二步反应对总反应速率没有影响，说明第一步是慢反应，控制总反应速率；

（3）根据盖斯定律进行分析计算；

（4）a．该反应为放热反应，相同压强下温度越高CO的平衡转化率越小；

b．温度越高反应速率越快；相同温度下压强越大，反应速率越快；

c．该反应正反应为放热反应，温度越高平衡常数越小；

d．气体的质量不变，所以平衡正向移动气体物质的量减小，平均摩尔质量增大，即CO的转化率越大；

（5）设n（H2）=3mol、n（CO）=1mol，恒压恒温条件下气体的体积分数之比等于物质的量分数之比，设平衡时混合气体总物质的量为xmol，根据C原子守恒得（45.0%+1.00%+1.5%）×xmol=1mol，解得x，从而计算出CO的转化率。

（6）①图中左侧装置为燃料电池，通入CH4的一极为原电池的负极，发生氧化反应，通入氧气气体一极为原电池的正极，发生还原反应；则右侧装置中Pt2电极为阴极，Pt1电极为阳极极；阳极N2O4被氧化成N2O5；

②根据阳极反应方程式可知，制备1mol N2O5，转移电子1mol，石墨2电极反应为O2+4e-+2CO2=2CO32-，转移1mol电子需要消耗0.25mol氧气和0.5mol二氧化碳，据此计算出消耗气体标况下体积。

（1）根据催化剂定义可知第二步反应中，中间产物（FeO+）氧化CO生成CO2本身被还原成Fe+，方程式为：FeO++CO=Fe++CO2；

（2）第二步反应对总反应速率没有影响，说明第一步是慢反应，控制总反应速率，第二步反应速率大于第一步反应速率；

（3）由①CO（g）+3H2（g）⇌CH4（g）+H2O（g）△H1=-206.2kJ•mol-1
②CO（g）+H2O（g）⇌CO2（g）+H2（g）△H2=-41.2kJ•mol-1
结合盖斯定律可知，①-②得到CO2（g）+4H2（g）⇌CH4（g）+2H2O（g）△H=-206.2kJ•mol-1-（-41.2kJ•mol-1）=-165kJ/mol；

（4）a．该反应为放热反应，相同压强下温度越高CO的平衡转化率越小，所以温度温度:T1v(b)，相同温度下压强越大，反应速率越快，所以v(e)K(d)>K(c)，故c错误；

d．气体的质量不变，所以平衡正向移动气体物质的量减小，平均摩尔质量增大，即CO的转化率越大，平均摩尔质量越大，所以:M(a)>M(b)=M(e)，故d正确；

综上所述选ad；

（5）设n（H2）=3mol、n（CO）=1mol，恒压恒温条件下气体的体积分数之比等于物质的量分数之比，设平衡时混合气体总物质的量为xmol，根据C原子守恒得（45.0%+1.00%+1.5%）×xmol=1mol，解得x=mol，则CO的转化为；

（6）①图中左侧装置为燃料电池，通入CH4的一极为原电池的负极，发生氧化反应，通入氧气气体一极为原电池的正极，发生还原反应；则右侧装置中Pt2电极为阴极，Pt1电极为阳极极；阳极N2O4被氧化成N2O5，电极方程式为：N2O4+2HNO3-2e-=2N2O5+2H+；

②根据阳极反应方程式可知，制备1mol N2O5，转移电子1mol，石墨2电极反应为O2+4e-+2CO2=2CO32-，转移1mol电子需要消耗0.25mol氧气和0.5mol二氧化碳，消耗气体标况下体积为0.75mol×22.4L/mol=16.8L。