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(14分)乙醇汽油是被广泛使用的新型清洁燃料,工业生产乙醇的一种反应原理为:2CO(g)+4H2 (g) CH3CH2OH(g)+H2O(g)  △H=—256.1kJ·mol—1

已知:H2O(l)=H2O(g)  △H=+44kJ·mol—1

CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)  △H=—41.2kJ·mol—1

⑴以CO2(g)与H2(g)为原料也可合成乙醇,其热化学方程式如下:

2CO2(g)+6H2(g)  CH3CH2OH(g)+3H2O(l)  △H=     

⑵CH4和H2O(g)在催化剂表面发生反应CH4+H2OCO+3H2,该反应在不同温度下的化学平衡常数如下表:

温度/℃

800

1000

1200

1400

平衡常数

0.45

1.92

276.5

1771.5

①该反应是_____反应(填“吸热”或“放热”);

T℃时,向1L密闭容器中投入1molCH4和1mol H2O(g),平衡时c(CH4)=0.5mol·L—1,该温度下反应CH4+H2OCO+3H2的平衡常数K=     

⑶汽车使用乙醇汽油并不能减少NOx的排放,这使NOx的有效消除成为环保领域的重要课题。某研究小组在实验室以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。

①若不使用CO,温度超过775℃,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,应控制的最佳温度在      左右。

②用CxHy(烃)催化还原NOx也可消除氮氧化物的污染。写出CH4与NO2发生反应的化学方程式:     

⑷乙醇-空气燃料电池中使用的电解质是搀杂了Y2O3的ZrO2晶体,它在高温下能传导O2—离子。该电池负极的电极反应式为     

 

【答案】

⑴—305.7 kJ·mol—1          ⑵①吸热  ②6.75

⑶①该反应是放热反应,升高温度反应更有利于向逆反应方向进行   870℃

②CH4+2NO2→CO2+N2+2H2O     ⑷CH3CH2OH—12e+6O2—=2CO2+3H2O

【解析】(1)考查盖斯定律的应用。根据已知反应可知,①-③×2-②即得到2CO2(g)+6H2(g)  CH3CH2OH(g)+3H2O(l),所以该反应热是-256.1kJ/mol+41.2kJ/mol-44kJ/mol×3=-305.7kJ/mol。

(2)①随着温度的升高,平衡常数逐渐增大,所以正反应是吸热反应。

②平衡时c(CH4)=0.5mol·L—1,所以消耗甲烷是0.5mol/L,则生成CO是0.5mol/L,氢气是

1.5mol/L,剩余甲烷和水蒸气都是0.5mol/L,所以平衡常数为

(3)①应用反应是放热反应,升高温度反应更有利于向逆反应方向进行,所以NO的分

解率降低。根据图像可知,在n(NO)/n(CO)=1的条件下,温度为870℃转化率最高,所以

应该控制的温度是870℃。

②NO2能把甲烷氧化生成CO2、氮气和水,方程式为CH4+2NO2→CO2+N2+2H2O。

(4)原电池中负极失去电子,由于电解质能传递O2—离子,而在原电池中阴离子是向负极

移动的,所以负极方程式为CH3CH2OH—12e+6O2—=2CO2+3H2O。

 

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