Question

“低碳循环”引起各国的高度重视，而如何降低大气中CO₂的含量及有效地开发利用CO₂，引起了全世界的普遍重视．所以“低碳经济”正成为科学家研究的主要课题．
（1）用电弧法合成的储氢纳米碳管常伴有大量的碳纳米颗粒（杂质），这种颗粒可用如下氧化法提纯，请完成该反应的化学方程式：（将配平后的系数填在横线上）

 

C+

 

KMnO₄+

 

H₂SO₄→

 

CO₂↑+

 

MnSO₄+

 

K₂SO₄+

 

H₂O
当反应中有2.408×10²⁴个电子发生转移时，还原剂的质量为

 

．
（2）将不同量的CO（g）和H₂O（g）分别通入到体积为2L的恒容密闭容器中，进行反应CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g），得到如下三组数据：

实验组	温度℃	起始量/mol		平衡量/mol		达到平衡所需时间/min
		CO	H2O	H2	CO
1	650	x	2.0	1.6	2.4	6
2	900	2.0	1.0	0.40	1.6	3

①实验1中以v（CO₂）表示的反应速率为

 

（要求2位有效数字，下同）；实验2达到平衡时CO的体积分数为

 

．
②若反应的平衡常数大，处理CO的效率高，则增大该反应平衡常数的措施有

 

．
③900℃时，该密闭容器中，加入4mol CO，3mol H₂O，4mol CO₂和2.4mol H₂，比较此时正、逆反应速率的大小：v_正

 

v_逆（填“＞”、“＜”或“=”）．
④一定条件下上述反应在某体积固定的密闭容器中进行，能说明该反应已经达到平衡状态的有

 

．
A．容器中气体的平均分子量不随时间而变化
B．消耗1mol H₂的同时消耗1mol CO
C．容器中气体的密度不随时间而变化
D．CO₂的体积分数不随时间而变化
（3）汽车尾气的排放对空气造成污染．目前采用的是在汽车排气装置中安装一个净化器，可以有效将尾气中的有害气体转化．如：
①CO（g）+NO₂（g）=CO₂（g）+NO（g）△H=-a kJ/mol （a＞0）
②2CO（g）+2NO（g）=2CO₂（g）+N₂（g）△H=-b kJ/mol （b＞0）
若用标准状况下3.36L CO还原NO₂至N₂（CO完全反应）时放出的热量为

 

kJ（用含a和b的代数式表示，下同）；并写出该反应的热化学方程式

 

．

Answer 1

考点：氧化还原反应方程式的配平,用盖斯定律进行有关反应热的计算,化学平衡的影响因素,化学平衡状态的判断

专题：基本概念与基本理论

分析：（1）反应中C元素的化合价由0升高为+4价，Mn元素的化合价由+7价降低为+2价，结合化合价升降总数相等以及质量守恒定律配平，然后根据转移电子数计算还原剂的物质的量，带入公式计算质量；
（2）①由表中数据可知，H₂的物质的量变化量为1.6mol，带入v=

△n

V?△t

计算v（H₂），然后根据化学反应速率之比等于化学计量数之比计算v（CO₂），CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）为等体积的反应，实验2达到平衡时CO的体积分数为

1.6mol

2.0mol+1.0mol

；
②实验1中x=2.4+1.6=4，对于氢气的物质的量而言，2×0.40mol＜1.6mol，说明升高温度平衡逆向移动，则该反应为放热反应，因此降低温度平衡正向移动，平衡常数增大；
③根据浓度商Qc与平衡常数K的大小，判断反应进行的方向，进而确定正逆反应的速率；
④A．该反应体系中全部为气体，该反应等物质的量的反应，由M=

m

n

可知，M为定值，所以容器中气体的平均分子量是一个定值，因此不能作为平衡的依据；
B．消耗1mol H₂的同时消耗1mol CO说明正逆反应速率相等，能说明该反应已经达到平衡状态；
C．该反应体系中全部为气体，气体的总质量m为定值，体积固定，由ρ=

m

V

可知，密度为一定值，因此不能作为平衡状态的标志；
D．CO₂的体积分数不随时间而变化，说明各物质的浓度保持不变，能说明该反应已经达到平衡状态；
（3）标准状况下的3.36L CO还原NO₂至N₂（CO完全反应）的整个过程中放出的热量，依据题给热化学方程式结合盖斯定律进行合并消去一氧化碳，计算得到．

解答： 解：（1）反应中C元素的化合价由0升高为+4价，Mn元素的化合价由+7价降低为+2价，该反应中转移20e^-，由电子守恒和质量守恒定律可知得化学反应为5C+4KMnO₄+6HSO₄=5CO₂↑+4MnSO₄+2K₂SO₄+6H₂O，转移20e^-时，还原剂C为5个原子，2.408×10²⁴个电子发生转移时，还原剂C的个数为6.02×10²³个，则C的物质的量为1mol，质量为1mol×12g/mol=12g，
故答案为：5；4；6；5；4；2；6；12g；
（2）①由表中数据可知，H₂的物质的量变化量为1.6mol，v（H₂）=

1.6mol

2L×6min

=0.13mol/（L?min），CO₂和氢气的化学计量数相等，因此v（CO₂）=v（H₂）=0.13mol/（L?min）；
CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）为等体积的反应，实验2达到平衡时CO的体积分数为

1.6mol

2.0mol+1.0mol

×100%=53.3%，
故答案为：0.13mol/（L?min）；53.3%；
②实验1中x=2.4+1.6=4，对于氢气的物质的量而言，2×0.40mol＜1.6mol，说明升高温度平衡逆向移动，则该反应为放热反应，因此降低温度平衡正向移动，平衡常数增大，
故答案为：降温；
③可根据实验2计算平衡常数，
         H₂O（g）+CO（g） CO₂（g）+H₂（g）
初始 0.5mol/L    1mol/L              0       0
转化 0.2mol/L   0.2mol/l         0.2mol/l    0.2mol/l 
平衡 0.3mol/L   0.8mol/L         0.2mol/l    0.2mol/l 
K=

0.2×0.2

0.3×0.8

=0.17，
Qc=

2×1.2

2×1.5

=0.8＞K，因此化学反应向逆反应方向移动，所以v_正＜v_逆，
故答案为：＜；
④A．该反应体系中全部为气体，该反应等物质的量的反应，由M=

m

n

可知，M为定值，所以容器中气体的平均分子量是一个定值，因此不能作为平衡的依据；
B．消耗1mol H₂的同时消耗1mol CO说明正逆反应速率相等，能说明该反应已经达到平衡状态；
C．该反应体系中全部为气体，气体的总质量m为定值，体积固定，由ρ=

m

V

可知，密度为一定值，因此不能作为平衡状态的标志；
D．CO₂的体积分数不随时间而变化，说明各物质的浓度保持不变，能说明该反应已经达到平衡状态，
故答案为：BD；
（3）汽车尾气中主要含有CO、NO₂、SO₂、CO₂气体，其中氮氧化物是引起光化学烟雾的原因，故NO₂能导致光化学烟雾的形成；
    ①CO（g）+NO₂（g）?NO（g）+CO₂（g）△H=-akJ?mol^-1（a＞0）
    ②2CO（g）+2NO（g）?N₂（g）+2CO₂（g）△H=-bkJ?mol^-1（b＞0）
①×2+②得到：4CO（g）+2NO₂（g）?4CO₂（g）+N₂（g）△H=-（2a+b）kJ?mol^-1
标准状况下的3.36L CO的物质的量═

3.36L

22.4L/mol

=0.15mol；根据合并得到的热化学方程式可以计算得到标准状况0.15molCO还原NO₂至N₂（CO完全反应）的整个过程中放出的热量为：

1

4

×[0.15mol×（2a+b ）]=

3(2a+b)

80

kJ；
故答案为：

3(2a+b)

80

kJ；4CO（g）+2NO₂（g）?4CO₂（g）+N₂（g）△H=-（2a+b）kJ?mol^-1．

点评：本题综合性强，涉及氧化还原反应的配平、转移电子数的计算、化学平衡的判定以及化学常数的计算、热化学方程式的书写及计算，为高考核心考点，掌握好化学反应原理是解题的关键．