Question

氢气是一种清洁能源。在冶金、电力、材料等领域应用广泛。请回答下列问题：

（1）某科研团队利用透氧膜获得N₂、H₂的工作原理如图所示(空气中N₂和O₂的物质的量之比为4：1）。上述过程中，膜I侧所得气体的物质的量之比为n(H₂):n(N₂)=3:1，则氧化作用的物质为_______________，膜Ⅱ侧发生的电极反应式为_________________

（2）用CO和H₂合成甲醇的热化学方程式为CO(g)+2H₂(g) ⇌CH₃OH(g) △H₁

已知CO₂(g)+3H₂(g) ⇌CH₃OH(g)+H₂O(g)  △H₂=-49.0kJ/mol

CO(g)+H₂O(g) ⇌CO₂(g)+H₂(g)  △H₃=-41.1kJ/mol

则△H₁=________________

（3）向体积可变的密闭容器中充入1molCO和2.2molH₂，在恒温恒压条件下发生反应：CO(g)+2H₂(g) ⇌CH₃OH(g)，平衡时，CO的转化率α(CO)随温度、压强的变化情况如图1所示。

①压强p₁_____(填“＞”、“＜”或“＝”)p₂；M点时，该反应的平衡常数K_p＝______(用平衡分压表示，分压=总压×物质的量分数)

②不同温度下，该反应的平衡常数的对数值lgK如图2，其中A点为506K时平衡常数的对数值，则B、C、D、E四点中能正确表示该反应的lgK与温度(T)的关系的是_____________

（4）H₂还原NO的反应为2NO(g)+2H₂(g)⇌N₂(g)+2H₂O(l)，实验测得反应速率的表达式为v=k·c^m（NO）·cⁿ（H₂）（k是速率常数，只与温度有关）。

①某温度下，反应速率与反应物浓度的变化关系如下表所示。

编号	c（H2）/（mol·L^-1）	c（NO）/（mol·L^-1）	v/（mol·L^-1·min^-1）
1	0.10	0.10	0.414
2	0.10	0.20	1.656
3	0.50	0.10	2.070

由表中数据可知，m=_______，n=_______。

②上述反应分两步进行：ⅰ2NO(g)+2H₂(g) ⇌N₂(g)+H₂O₂(l)(慢反应)

ⅱH₂O₂(l)+H₂(g) ⇌2H₂O(l)(快反应)。下列说法正确的是_______

A. H₂O₂是该反应的催化剂          B. 总反应速率由反应ⅱ的速率决定

C. 反应ⅰ的活化能较高             D.反应ⅰ中NO和H₂的碰撞仅部分有效

Answer

CH4 CH4+ O2—-2e—=CO+2H2 —90.1 kJ/mol ＞ B、E 2 1 C D

【解析】

(1)空气中N2和O2的物质的量之比为4：1，膜I侧所得气体的物质的量之比为n(H2):n(N2)=3:1，氮气的量在反应前后不变，则设氮气的物质的量为4mol，则生成氢气的物质的量为12mol，由膜I侧反应可知，12mol水得到电子，1mol氧气得到电子，做氧化剂，根据图示，膜Ⅱ侧CH4中C原子失去电子化合价升高转化为CO，被氧化，则氧化作用的物质为CH4，膜Ⅱ侧发生的电极反应式为CH4+ O2--2e-=CO+2H2；

(2)已知：①CO2(g)+3H2(g) ⇌CH3OH(g)+H2O(g) △H2=-49.0kJ/mol

②CO(g)+H2O(g) ⇌CO2(g)+H2(g) △H3=-41.1kJ/mol

根据盖斯定律：①+②可得CO(g)+2H2(g) ⇌CH3OH(g) △H1 =-90.1 kJ/mol；

(3)①在恒温恒压条件下发生反应：CO(g)+2H2(g) ⇌CH3OH(g)是气体体积减小的反应，增大压强，平衡向右移动，CO的转化率会增大，结合图1，保持温度不变转化率大的表示压强大，所以p1＞p2；

M点时，CO的转化率为60%，则CO转化了1mol×60%=0.6mol，列“三段式”：

由上式可知平衡时的总物质的量=(0.4mol+0.6mol+1mol)=2mol，该反应的平衡常数Kp＝；

②根据(2)分析，该反应放热，当温度越高时，平衡常数越小，则lgK也会越小，也就是说T与lgK呈反比关系，所以B、E两点符合lgK与温度(T)的关系；

(4)H2还原NO的反应为2NO(g)+2H2(g)⇌N2(g)+2H2O(l)，实验测得反应速率的表达式为v=k·cm(NO)·cn(H2)(k是速率常数，只与温度有关)。

①由编号1、编号2 组数据，保持c(H2)不变，则，代入1、2组数据，得，解得m=2，由编号2、编号3 组数据，保持c(N2)不变，则，代入2、3组数据，得，解得n=1；

②A．H2O2参与两个反应，但第一步未作反应物，因而不是催化剂，实际上H2O2仅是中间产物，故A错误；

B．总反应速率由慢反应决定，即由反应ⅰ的速率决定，故B错误；

C．反应ⅰ是慢反应，说明反应速率小，在其他条件一样的情况下，活化能较高，故C正确；

D．碰撞理论指出，能发生化学反应的碰撞是有效碰撞，即需要一定的能量和取向的碰撞，所以在所有的碰撞中只有部分碰撞是有效碰撞，故D正确；

答案选CD。