Question

11．研究NO₂、SO₂、CO 等大气污染气体的处理具有重要意义．

（1）NO₂可用水吸收，相应的化学方程式为3NO₂+H₂O═2HNO₃+NO．利用反应6NO₂+8NH₃ $?_{△}^{催化剂}$7N₂+12H₂O也可以处理NO₂．当转移1.2mol电子时，消耗的NO₂在标准状况下是67.2L．
（2）已知：
2SO₂（g）+O₂（g）?2SO₃（g）△H=-196.6kJ•mol^-1
2NO （g）+O₂（g）?2NO₂（g）△H=-113.0kJ•mol^-1
则反应NO₂（g）+SO₂（g）?SO₃（g）+NO （g） 的△H=-41.8kJ•mol^-1，一定条件下，将NO₂与SO₂以体积比1：2置于密闭容器中发生上述反应，下列能说明反应达到平衡状态的是b．
a．体系压强保持不变              b．混合气体颜色保持不变
c．SO₃与NO的体积比保持不变     d．每消耗1mol SO₃的同时生成1mol NO₂
测得上述反应平衡时的NO₂与SO₂体积比为1：6，则平衡常数K=$\frac{8}{3}$．
（3）CO可用于合成甲醇，反应方程式为CO （g）+2H₂（g）?CH₃OH （g）．
①CO在不同温度下的平衡转化率与压强的关系如图1所示．该反应△H＜0（填“＞”或“＜”）．实际生产条件控制在250℃、1.3×10⁴kPa左右，选择此压强的理由是在1.3×10⁴kPa下，CO的转化率已较高，再增大压强CO的转化率提高不大，而生产成本增加得不偿失．
②甲醇燃料电池（简称DMFC）由于结构简单、能量转化率高、对环境无污染，可作为常规能源的替代品而越来越受到关注．DMFC工作原理如图2所示：通入a气体的电极是原电池的负极（填“正”或“负”），其电极反应式为O₂+4e^-+4H⁺=2H₂O．

Answer 1

分析 （1）根据物质与水的反应物与生成物来书写化学反应方程式，再利用氧化还原反应中电子转移计算，然后计算标准状况下气体的体积；
（2）根据盖斯定律来计算化学反应的焓变；根据化学平衡状态的特征：逆、定、动、变、等来判断化学反应是否达到平衡；化学平衡状态时，正逆反应速率相等，各物质的浓度不变，由此衍生的一些物理量也不变，计算平衡时各物质的浓度，可计算平衡常数；
（3）①从横坐标上一点，画一条平行于纵坐标的虚线，看相同压强下不同温度时CO的平衡转化率，温度越低转化率越低，说明，升温时平衡向逆向移动；
②根据图知，交换膜是质子交换膜，则电解质溶液呈酸性，根据氢离子移动方向知，通入a的电极为负极、通入b的电极为正极，负极上甲醇失去电子发生氧化反应，正极上是氧气得到电子发生还原反应，酸性溶液中生成水．

解答 解：（1）NO₂与H₂O反应的方程式为：3NO₂+H₂O═2HNO₃+NO；6NO₂+8NH₃═7N₂+12H₂O，当反应中有1 mol NO₂参加反应时，共转移了4 mol电子，故转移12mol电子时，消耗的NO₂为12÷4×22.4L=67.2L，
故答案为：3NO₂+H₂O═2HNO₃+NO；67.2；
（2）根据盖斯定律，将第二个方程式颠倒过来，与第一个方程式相加得：2NO₂+2SO₂═2SO₃+2NO，△H=-83.6 kJ•mol^-1，则NO₂+SO₂?SO₃+NO△H=-41.8 kJ•mol^-1；
a．本反应是反应前后气体分子数不变的反应，故体系的压强保持不变，故a不能说明反应已达到平衡状态，a错误；
b．随着反应的进行，NO₂的浓度减小，颜色变浅，故b可以说明反应已达平衡，故b正确；
c．SO₃和NO都是生成物，比例保持1：1，故c不能作为平衡状态的判断依据，故c错误；
d．d中所述的两个速率都是逆反应速率，不能作为平衡状态的判断依据，故d错误．
故选b；
                     NO₂（g）+SO₂（g）?SO₃（g）+NO（g）
起始物质的体积 a             2a              0             0
转化物质的体积 x             x               x             x
平衡物质的体积 a-x      2a-x              x              x
平衡时NO₂与SO₂体积比为1：6，即$\frac{a-x}{2a-x}$=$\frac{1}{6}$，故x=$\frac{4}{5}$a，故平衡常数K=$\frac{c（S{O}_{3}）•c（NO）}{c（N{O}_{2}）•c（S{O}_{2}）}$=$\frac{{x}^{2}}{（a-x）（2a-x）}$=$\frac{（\frac{4}{5}a）^{2}}{\frac{1}{5}a×\frac{6}{5}a}$=$\frac{8}{3}$，
故答案为：-41.8；b；$\frac{8}{3}$；
（3）①从横坐标上一点0.5处，画一条平行于纵坐标的虚线，看相同压强下不同温度时CO的平衡转化率，温度越高转化率越低，说明，升温时平衡向逆向移动．
第二问：实际生产条件控制在250℃、1.3×10⁴kPa左右，选择此压强的理由是工业生产要考虑速经济效益，要考虑速度和效率，压强越大需要的条件越高，花费越大．
故答案为：＜；在1.3×10⁴kPa下，CO的转化率已较高，再增大压强CO的转化率提高不大，而生产成本增加得不偿失；
②根据图知，交换膜是质子交换膜，则电解质溶液呈酸性，根据氢离子移动方向知，通入a的电极为负极、通入b的电极为正极，负极上甲醇失去电子发生氧化反应，负极反应式为 CH₃OH-6e^-+H₂O=CO₂+6H⁺，正极上氧气得电子发生还原反应，电极反应式为O₂+4e^-+4H⁺=2H₂O，
故答案为：负；O₂+4e^-+4H⁺=2H₂O．

点评 本题以NO₂、SO₂、CO等物质为载体，综合考查化学方程式的书写和氧化还原反应，及平衡常数的计算等问题，侧重于学生综合运用化学知识的能力的考查，题目难度中等．