Question

【题目】H2是一种清洁能源。在冶金、电力、材料等领域应用广泛。请回答下列问题：

(1)某科研团队利用透氧膜获得N2、H2的工作原理如图甲所示(空气中N2与O2的物质的量之比按4：1计)。上述过程中，膜I侧所得气体的物质的量之比n(H2)：n(N2)=3：1，则CH4、H2O与O2反应的化学方程式为______________________。

(2)用H2和CO合成甲醇的热化学方程式为CO(g)+2H2(g) CH3OH (g) △H1。已知：CO2(g)+3H2(g)==CH3OH(g)+H2O(g) △H2=－49.0kJ·mol－1；CO(g)+H2O(g)==CO2(g)+H2(g) △H3=－41.1k J·mol－1．则△H1=___________ k J·mol－1。

(3)向容积可变的密闭容器中充入1 mol CO和2.2molH2，在恒温恒压条件下发生反应CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)，平衡时，CO的转化率[α(CO)]随温度、压强的变化情况如图乙所示。

①压强：p1___________(填“>”<”或“=”)p2。

②M点时，H2的转化率为___________(计算结果精确到0.1%)，该反应的平衡常数Kp=___________(用平衡分压代替平衡浓度计算，分压=总压×物质的量分数)。

③不同温度下，该反应的平衡常数的对数值(lgK)如图丙所示，其中，A点为506K时平衡常数的对数值，则B、C、D、E四点中能正确表示该反应的lgK与温度(T)的关系的是___________。

(4)H2还原NO的反应为2NO(g)+2H2(g)N2(g)+2H2O(1)，实验测得反应速率的表达式为v=kcm(NO)·cn(H2)(k是速率常数，只与温度有关)

①某温度下，反应速率与反应物浓度的变化关系如下表所示。

编号	c(H2)/(mol/L)	c(NO)/(mol/L)	v/(mol/Lmin)
1	0.10	0.10	0.414k
2	0.10	0.20	1.656k
3	0.50	0.10	2.070k

由表中数据可知，m=___________，n=___________。

②上述反应分两步进行：i．2NO(g)+H2(g)==N2(g)+H2O2(1)(慢反应)；ii．H2O2(1)+H2(g)==2H2O(1)(快反应)。下列叙述正确的是___________(填字母)

A．H2O2是该反应的催化剂

B．反应i的活化能较高

C．总反应速率由反应ii的速率决定

D．反应i中NO和H2的碰撞仅部分有效

Answer 1

【答案】14CH4+12H2O+O2=14CO+40H2 －90.1 > 54.5％ B点和E点 2 1 BD

【解析】

（1）空气中N2和O2的物质的量之比约为4：1，膜Ⅰ侧所得气体中，氮气的量在反应前后不变，设氮气为4mol，则生成氢气是12mol，由膜Ⅰ侧反应可知，12mol水得到电子，1mol氧气得到电子，膜Ⅰ上发生反应：12H2O+24e-=12H2+12O2-、O2+4e-=2O2-，膜Ⅱ上14molCH4中C失去84mol电子、H得到56mol电子时，总反应遵守电子守恒，则反应为14CH4+12H2O+O2=14CO+40H2。

（2）设已知反应方程式分别为a和b，则所求CO(g)+2H2(g) CH3OH(g)方程式c=a+b，则ΔH1=ΔH2+ΔH3=－90.1kJ·mol－1。

（3）①CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)是气体体积减小的反应，增大压强，平衡向右移动，CO的转化率会变大，结合图像乙，保持温度不变，转化率大的表示压强大，所以p1>p2；

②该问可用三段式解决，M点α(CO)=60％，则CO转化了1mol×60％=0.6mol，下面列三段式：

CO(g) + 2H2(g)CH3OH(g)

起始量 1mol 2.2mol 0

转化量 0.6mol 1.2mol 0.6mol

平衡量 0.4mol 1mol 0.6mol

可知，H2转化了1.2mol，则H2的转化率为1.2mol/2.2mol×100%=54.5％；由上列式可知平衡时总物质的量n=(0.4+1+0.6)mol=2mol，Kp====。

③该反应为放热反应，当温度越高时，平衡常数K越小，则lgK也会越小，也就是T与lgK呈反比，所以B点和E点符合lgK与温度(T)的关系。

（4）①保持H2的浓度不变，则，带入编号1和编号2数据，得，得m=2，保持N2的浓度不变，则，带入编号1和编号3数据，得，解得n=1；

②A.H2O2参与两个反应，但第一步未做反应物，因而不是催化剂，实际上H2O2仅仅是中间产物，A项错误；

B.反应i是慢反应，说明反应速率小，在其他条件一样的情况下，活化能比较高，B项正确；

C.总反应速率由慢反应决定，即反应(1)，C项错误；

D.碰撞理论指出能发生化学反应的碰撞是指有效碰撞，即需要一定的能量和取向的碰撞，所以在所有碰撞中部分是有效地，D项正确。

故答案选BD。