Question

(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”）；
②T℃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NO_x的排放，这使NO_x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C_xH_y（烃）催化还原NO_x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O^2—离子。该电池负极的电极反应式为     。

Answer 1

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^—+6O^2—=2CO₂+3H₂O

（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O^2—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^—+6O^2—=2CO₂+3H₂O。