Question

18．能源是人类生存与发展必不可缺的物质，对传统能源进行脱硫、脱硝处理，提高新能源在能源消费中的比倒是改变目前我国频发的雾霾天气的有效措施．

（1）肼（N₂H₄）和化合物甲是一种重要的火箭推进剂，甲分子与肼分子具有相同的电子数，二者反应的生成物中有l0e^-分子，另一种生成物为极稳定的单质，写出该反应的化学方程式N₂H₄+2H₂O₂=N₂↑+4H₂O；
（2）对燃煤产生的尾气进行回收处理，有助于空气质量的改善，还能变废为宝，尾气处理过程中涉及到的主要反应如下：
①2CO（g）+SO₂（g）=S（g）+2CO₂（g）△H=+8.0kJ•mol^-1
②2H₂ （g）+SO₂（g）=S（g）+2H₂O（g）△H=+90.4kJ•mol^-1
③2CO（g）+O₂（g）=2CO₂ （g）△H=-566.0kJ•mol^-1l
④2H₂ （g）+O₂ （g）=2H₂O（g）△H=-483.6kJ•mol^-1
S（g）与O₂（g）反应生成SO₂ （g）的热化学方程式为S（g）+O₂（g）=SO₂ （g）△H=-574kJ•mol^-1．
（3）煤碳液化也有助于减少雾霾天气的发生，液化反应之一为：
CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H＜O；按照相同的物质的量投料，测得CO在不同温度下的平衡转化率与压强的关系如图1所示，则正反应速率：v（a）、v（b）、v（c）、v（d）由小到大的顺序为v（d）＜v（a）＜v（b）＜v（c）；
实际生产条件控制在T₁℃、1×l0⁴kPa左右，选择此压强的理由是压强为1×l0⁴kPa左右，CO的转化率已经很大，压强再增大，CO转化率提高不大，生成成本增大，得不偿失．
（4）工业上生产新能源二甲醚（CH₃OCH₃）的原理之一为：
2CO₂（g）+6H₂（ g）?CH₃OCH₃（g）+3H₂O（g）．相同温度下，在两个容器中进行上述反应，某时刻两容器中各气态物质的浓度（mol•L^1-）及正逆反应速率之间的关系如下表所示：

容器	c（CO2）	c（H2）	c（CH3OCH3）	c（H2O）	v（正）和v（逆）大小比较
I	1.0×10-2	1.0×10-2	1.0×10-4	1.0×10-4	v（正）=v（逆）
Ⅱ	2.0×10-2	1.0×10-2	1.0×10-4	2.0×10-4	v　正）＜ v（逆）（填＞、＜、=）

填写表中空白处并写出其推测过程I处于平衡状态，则平衡常数k=$\frac{1×1{0}^{-4}×（1×1{0}^{-4}）^{3}}{（1×1{0}^{-2}）^{2}×（1×1{0}^{-2}）^{6}}$=1，Ⅱ中浓度商Qc=$\frac{1×1{0}^{-4}×（2×1{0}^{-4}）^{3}}{（2×1{0}^{-2}）^{2}×（1×1{0}^{-2}）^{6}}$=2，则Qc＞K=1，故反应向逆反应方向进行．
（5）二甲醚（燃烧热为1455kJ/mol）燃料电池是一种绿色电池，其工作原理如图2所示，a、b均为惰性电极，a极的电极反应式为CH₃OCH₃-12e^-+3H₂O═2CO₂↑+12H⁺；当消耗1molO₂时，通过质子交换膜的质子数为4N_A；
若电池工作时消耗1mol二甲醚所能产生的最大电能为1320kJ，则该燃料电池的工作效率为90.7%  （燃料电池的工作效率是指电池所产生的最大电能与燃料燃烧时所能释放的全部热能之比）．

Answer 1

分析 （1）甲分子与肼分子具有相同的电子数，二者反应的生成物中有l0e^-分子，另一种生成物为极稳定的单质，该单质为氮气，甲具有强氧化性且含有18单质，可推知甲为H₂O₂，生成10电子分子为H₂O；
（2）由盖斯定律可知，④-②得：S（g）+O₂（g）=SO₂ （g），以此计算△H；
（3）正反应为放热反应，一定压强下，升高温度，平衡向逆反应方向移动，CO的转化率降低，故温度T₃＞T₂＞T₁，相同温度下，压强越大反应速率越快，相同压强下，温度越高反应速率越快；
在T₁℃、1×l0⁴kPa左右，CO的转化率已经很大，压强再增大，CO转化率提高不大，生成成本增大；
（4）I处于平衡状态，根据I中数据计算平衡常数，再计算Ⅱ中浓度商Qc，与平衡常数相比判断反应进行方向，进而判断正、逆反应速率相对大小；
（5）反应本质是二甲醚的燃烧，原电池负极发生氧化反应，二甲醚在负极放电，酸性条件下生成二氧化碳，根据电荷守恒可知有氢离子生成，结合守恒书写；
正极反应为O₂+4e^-+4H⁺=2H₂O，据此计算通过质子交换膜的质子数；
根据燃烧热计算1mol甲醚完全燃烧放出的热量，再根据电池的工作效率定义计算．

解答 解：（1）甲分子与肼分子具有相同的电子数，二者反应的生成物中有l0e^-分子，另一种生成物为极稳定的单质，该单质为氮气，甲具有强氧化性且含有18单质，可推知甲为H₂O₂，生成10电子分子为H₂O，该反应的化学方程式为：N₂H₄+2H₂O₂=N₂↑+4H₂O，
故答案为：N₂H₄+2H₂O₂=N₂↑+4H₂O；
（2）已知：①2CO（g）+SO₂（g）=S（g）+2CO₂（g）△H=+8.0kJ•mol^-1
②2H₂ （g）+SO₂（g）=S（g）+2H₂O（g）△H=+90.4kJ•mol^-1
③2CO（g）+O₂（g）=2CO₂ （g）△H=-566.0kJ•mol^-1l
④2H₂ （g）+O₂ （g）=2H₂O（g）△H=-483.6kJ•mol^-1
根据盖斯定律，④-②得：S（g）+O₂（g）=SO₂ （g）△H=-574kJ•mol^-1，
故答案为：S（g）+O₂（g）=SO₂ （g）△H=-574kJ•mol^-1；
（3）正反应为放热反应，一定压强下，升高温度，平衡向逆反应方向移动，CO的转化率降低，故温度T₃＞T₂＞T₁，相同压强下，温度越高反应速率越快，故v（a）＜v（b）＜v（c），d点压强小于a，故反应速率v（d）＜v（a），故反应速率v（d）＜v（a）＜v（b）＜v（c）；
在T₁℃、1×l0⁴kPa左右，CO的转化率已经很大，压强再增大，CO转化率提高不大，生成成本增大，得不偿失；
故答案为：v（d）＜v（a）＜v（b）＜v（c）；压强为1×l0⁴kPa左右，CO的转化率已经很大，压强再增大，CO转化率提高不大，生成成本增大，得不偿失；
（4）I处于平衡状态，则平衡常数k=$\frac{1×1{0}^{-4}×（1×1{0}^{-4}）^{3}}{（1×1{0}^{-2}）^{2}×（1×1{0}^{-2}）^{6}}$=1，Ⅱ中浓度商Qc=$\frac{1×1{0}^{-4}×（2×1{0}^{-4}）^{3}}{（2×1{0}^{-2}）^{2}×（1×1{0}^{-2}）^{6}}$=2，则Qc＞K=1，故反应向逆反应方向进行，故v（正）＜v（逆），
故答案为：＜；I处于平衡状态，则平衡常数k=$\frac{1×1{0}^{-4}×（1×1{0}^{-4}）^{3}}{（1×1{0}^{-2}）^{2}×（1×1{0}^{-2}）^{6}}$=1，Ⅱ中浓度商Qc=$\frac{1×1{0}^{-4}×（2×1{0}^{-4}）^{3}}{（2×1{0}^{-2}）^{2}×（1×1{0}^{-2}）^{6}}$=2，则Qc＞K=1，故反应向逆反应方向进行；
（5）反应本质是二甲醚的燃烧，原电池负极发生氧化反应，二甲醚在负极放电，酸性条件下生成二氧化碳，根据电荷守恒可知有氢离子生成，负极电极反应式为：CH₃OCH₃-12e^-+3H₂O═2CO₂↑+12H⁺；
正极反应为O₂+4e^-+4H⁺=2H₂O，当消耗1molO₂时，通过质子交换膜的质子数为4N_A；
二甲醚燃烧热为1455kJ/mol，则1mol甲醚完全燃烧放出的热量为1455kJ，若电池工作时消耗1mol二甲醚所能产生的最大电能为1320kJ，则该燃料电池的工作效率为$\frac{1320kJ}{1455kJ}$×100%=90.7%，
故答案为：CH₃OCH₃-12e^-+3H₂O═2CO₂↑+12H⁺；4；90.7%．

点评 本题属于拼合型题目，涉及无机物推断、热化学方程式书写、化学反应速率因素、化学平衡常数应用、原电池原理及有关计算，侧重考查学生对知识的迁移应用、分析解决问题的能力，化学平衡常数计算及其应用成为高考的常考知识点，难度中等．