Question

【題目】H2是一種清潔能源。在冶金、電力、材料等領域應用廣泛。請回答下列問題：

(1)某科研團隊利用透氧膜獲得N2、H2的工作原理如圖甲所示(空氣中N2與O2的物質的量之比按4：1計)。上述過程中，膜I側所得氣體的物質的量之比n(H2)：n(N2)=3：1，則CH4、H2O與O2反應的化學方程式為______________________。

(2)用H2和CO合成甲醇的熱化學方程式為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．則△H1=___________ k J·mol－1。

(3)向容積可變的密閉容器中充入1 mol CO和2.2molH2，在恒溫恒壓條件下發生反應CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)，平衡時，CO的轉化率[α(CO)]隨溫度、壓強的變化情況如圖乙所示。

①壓強：p1___________(填“>”<”或“=”)p2。

②M點時，H2的轉化率為___________(計算結果精確到0.1%)，該反應的平衡常數Kp=___________(用平衡分壓代替平衡濃度計算，分壓=總壓×物質的量分數)。

③不同溫度下，該反應的平衡常數的對數值(lgK)如圖丙所示，其中，A點為506K時平衡常數的對數值，則B、C、D、E四點中能正確表示該反應的lgK與溫度(T)的關系的是___________。

(4)H2還原NO的反應為2NO(g)+2H2(g)N2(g)+2H2O(1)，實驗測得反應速率的表達式為v=kcm(NO)·cn(H2)(k是速率常數，只與溫度有關)

①某溫度下，反應速率與反應物濃度的變化關系如下表所示。

編號	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

由表中數據可知，m=___________，n=___________。

②上述反應分兩步進行：i．2NO(g)+H2(g)==N2(g)+H2O2(1)(慢反應)；ii．H2O2(1)+H2(g)==2H2O(1)(快反應)。下列敘述正確的是___________(填字母)

A．H2O2是該反應的催化劑

B．反應i的活化能較高

C．總反應速率由反應ii的速率決定

D．反應i中NO和H2的碰撞僅部分有效

Answer 1

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

【解析】

（1）空氣中N2和O2的物質的量之比約為4：1，膜Ⅰ側所得氣體中，氮氣的量在反應前后不變，設氮氣為4mol，則生成氫氣是12mol，由膜Ⅰ側反應可知，12mol水得到電子，1mol氧氣得到電子，膜Ⅰ上發生反應：12H2O+24e-=12H2+12O2-、O2+4e-=2O2-，膜Ⅱ上14molCH4中C失去84mol電子、H得到56mol電子時，總反應遵守電子守恒，則反應為14CH4+12H2O+O2=14CO+40H2。

（2）設已知反應方程式分別為a和b，則所求CO(g)+2H2(g) CH3OH(g)方程式c=a+b，則ΔH1=ΔH2+ΔH3=－90.1kJ·mol－1。

（3）①CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)是氣體體積減小的反應，增大壓強，平衡向右移動，CO的轉化率會變大，結合圖像乙，保持溫度不變，轉化率大的表示壓強大，所以p1>p2；

②該問可用三段式解決，M點α(CO)=60％，則CO轉化了1mol×60％=0.6mol，下面列三段式：

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

起始量 1mol 2.2mol 0

轉化量 0.6mol 1.2mol 0.6mol

平衡量 0.4mol 1mol 0.6mol

可知，H2轉化了1.2mol，則H2的轉化率為1.2mol/2.2mol×100%=54.5％；由上列式可知平衡時總物質的量n=(0.4+1+0.6)mol=2mol，Kp====。

③該反應為放熱反應，當溫度越高時，平衡常數K越小，則lgK也會越小，也就是T與lgK呈反比，所以B點和E點符合lgK與溫度(T)的關系。

（4）①保持H2的濃度不變，則，帶入編號1和編號2數據，得，得m=2，保持N2的濃度不變，則，帶入編號1和編號3數據，得，解得n=1；

②A.H2O2參與兩個反應，但第一步未做反應物，因而不是催化劑，實際上H2O2僅僅是中間產物，A項錯誤；

B.反應i是慢反應，說明反應速率小，在其他條件一樣的情況下，活化能比較高，B項正確；

C.總反應速率由慢反應決定，即反應(1)，C項錯誤；

D.碰撞理論指出能發生化學反應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項正確。

故答案選BD。