Question

8．碳、氮和铝的单质及其化合物在工农业生产和生活中有重要用途．
（1）真空碳热还原一氧化法可实现由铝矿制备金属铝，其相关的热化学方程式如下：
Al₂O₃（s）+AlC1₃（g）+3C（s）═3AlCl（g）+3CO（g）△H=a　kJ•mol^-1
3AlCl（g）═2Al（l）+AlC1₃（g）△H=b　kJ•mol^-1
用含a、b的代数式表示反应：Al₂O₃（s）+3C（s）=2Al（l）+3CO（g）的△H=a+bkJ•mol^-1．
（2）用活性炭还原法可以处理氮氧化物．某研究小组向某密闭容器中加入一定量的活性炭和NO，发生反应C（s）+2NO（g）?N₂（g）+CO₂（g）△H=Q　kJ•mol^-1．在T₁℃时，反应进行到不同时间测得各物质的浓度如下：

	0	10	20	30	40	50
NO	1.00	0.68	0.50	0.50	0.60	0.60
N2	0	0.16	0.25	0.25	0.30	0.30
CO2	0	0.16	0.25	0.25	0.30	0.30

①0～10min内，NO的平均反应速率v（NO）=0.032 mol•L^-1•min^-1，T₁℃时，该反应的平衡常数K=0.25．
②30min后升高温度至T₂℃，达到平衡时，容器中NO、N₂、CO₂的浓度之比为3：1：1，则Q＜0（填“＞”、“＜”或“═”）
③在恒容条件下，能判断该反应一定达到化学平衡状态的依据是cd　（填选项编号）．
a．单位时间内生成2nmolNO（g）的同时消耗nmolCO₂（g）
b．反应体系的压强不再发生改变
c．混合气体的密度保持不变
d．混合气体的平均相对分子质量保持不变
④若保持与上述反应前30min的反应条件不变，起始时NO的浓度为2.50mol/L，则反应达平衡时c（NO）=1.25mol/L．NO的转化率不变（填“增大”、“减小”或“不变”）．
（3）直接排放煤燃烧产生的烟气会引起严重的环境问题，将燃煤产生的二氧化碳回收利用，可达到低碳排放的目的．如图是通过人工光合作用，以CO₂和H₂O为原料制备HCOOH和O₂的原理示意图．电极b表面发生的电极反应式为CO₂+2H⁺+2e^-=HCOOH．

Answer 1

分析 （1）已知：①Al₂O₃（s）+AlC1₃（g）+3C（s）═3AlCl（g）+3CO（g）△H=a　kJ•mol^-1
②3AlCl（g）═2Al（l）+AlCl₃（g）△H=bkJ•mol^-1
根据盖斯定律，①+②可得：Al₂O₃（s）+3C（s）═2Al（l）+3CO（g）；
（2）①根据v=$\frac{△c}{△t}$计算v（NO）；
20min处于平衡常数，平衡时NO浓度为0.5mol/L，N₂、CO₂的浓度均为0.25mol/L，代入K=$\frac{c（N{\;}_{2}）×c（CO{\;}_{2}）}{c{\;}^{2}（NO）}$计算平衡常数；
②30minNO、N₂、CO₂的浓度之比为2：1：1，若30min后升高温度至T₂℃，达到平衡时，容器中NO、N₂、CO₂的浓度之比为3：1：1，则升高温度平衡逆向移动，正反应为放热反应；
③当反应达到平衡状态时，正逆反应速率相等，各物质的浓度、百分含量不变，以及由此衍生的一些量也不发生变化，据此解答，解题时要注意，选择判断的物理量，随着反应的进行发生变化，当该物理量由变化到定值时，说明可逆反应到达平衡状态；
④若保持与上述反应前3Omin的反应条件不变，起始时NO的浓度为2.50mol/L，相对于增大压强，又反应前后的系数不变，所以平衡不移动，NO的转化率不变；
（3）b为正极，是二氧化碳得到电子生成甲酸，据此解答．

解答 解：（1）已知：①Al₂O₃（s）+AlC1₃（g）+3C（s）═3AlCl（g）+3CO（g）△H=a　kJ•mol^-1
②3AlCl（g）═2Al（l）+AlCl₃（g）△H=bkJ•mol^-1
根据盖斯定律，①+②可得：Al₂O₃（s）+3C（s）═2Al（l）+3CO（g），故△H=（a+b）kJ•mol^-1，
故答案为：a+b；
（2）①0～10min内，NO的浓度变化量为（1-0.68）mol/L=0.32mol/L，则v（NO）=$\frac{0.32mol/L}{10min}$=0.032 mol•L^-1•min^-1；
20min处于平衡常数，平衡时NO浓度为0.5mol/L，N₂、CO₂的浓度均为0.25mol/L，T₁℃时，该反应的平衡常数K=$\frac{c（N{\;}_{2}）×c（CO{\;}_{2}）}{c{\;}^{2}（NO）}$=$\frac{0.25×0.25}{0.5{\;}^{2}}$=0.25，
故答案为：0.032 mol•L^-1•min^-1；0.25；
②30minNO、N₂、CO₂的浓度之比为2：1：1，若30min后升高温度至T₂℃，达到平衡时，容器中NO、N₂、CO₂的浓度之比为3：1：1，则升高温度平衡逆向移动，正反应为放热反应，故△H＜0，故答案为：＜；
③a、单位时间内生成2n mol NO（g）的同时消耗n mol CO₂（g），都是指逆反应方向，则不能判断达到化学平衡状态，故a错误；
b．该反应前后气体系数不变，所以反应体系的压强一直不变，则反应体系的压强不再发生改变，不能判断达到化学平衡状态，故b错误；
c．反应中有固体参加，反应前后气体的质量在变，而体积不变，所以混合气体的密度一直在变，则当混合气体的密度保持不变，能说明达到化学平衡状态，故c正确；
d．反应中有固体参加，反应前后气体的质量在变，而反应前后气体的物质的量不变，所以混合气体的平均相对分子质量一直在变，则当合气体的平均相对分子质量保持不变，能说明达到化学平衡状态，故d正确；
故答案为：cd；
④若保持与上述反应前3Omin的反应条件不变，起始时NO的浓度为2.50mol/L，相对于增大压强，又反应前后的系数不变，所以平衡不移动，NO的转化率不变，则反应达平衡时c（NO）=2.50mol/L×$\frac{0.5}{1.0}$=1.25mol/L，故答案为：1.25；不变；
（3）b为正极，是二氧化碳得到电子生成甲酸，电极反应为：CO₂+2H⁺+2e^-=HCOOH；
故答案为：CO₂+2H⁺+2e^-=HCOOH．

点评 本题考查了热化学方程式和盖斯定律的计算应用，化学平衡的影响因素分析化学平衡移动原理的应用，平衡常数计算判断，原电池原理和电极反应书写方法，题目难度中等．