2.能源、環(huán)境與人類生活密切相關(guān),研究它們的綜合利用有重要意義.
Ⅰ.二甲醚可代替汽油作新型清潔燃料.常溫常壓下,二氧化碳加氫可選擇性生產(chǎn)二甲醚(CH3OCH3)或一氧化碳.已知二甲醚、氫氣的燃燒熱分別為-1455kJ/mol,-285.8kJ/mol
(1)寫出CO2加氫轉(zhuǎn)化為CH3OCH3(g)和H2O(l)的熱化學(xué)方程式2CO2(g)+6H2(g)=CH3OCH3(g)+3H2O(l)△H=-259.8kJ•mol-1,該反應(yīng)的平衡常數(shù)的表達(dá)式為)
$\frac{c(C{H}_{3}OC{H}_{3})}{{c}^{2}(C{O}_{2}){c}^{6}({H}_{2})}$..
(2)等物質(zhì)的量的CO和H2在一定條件下可合成CH3OCH3,同時(shí)還產(chǎn)生了一種可參與大氣循環(huán)的無機(jī)化合物,該反應(yīng)的化學(xué)方程式為:3CO+3H2═CH3OCH3+CO2
(3)二甲醚燃料電池原理如圖1所示

①M(fèi)區(qū)發(fā)生的電極反應(yīng)式為CH3OCH3+3H2O-12e-=2CO2+12H+
②用上述電池做電源,用圖2裝置電解飽和氯化鉀溶液(電極均為惰性電極),設(shè)飽和氯化鉀溶液體積為500mL,當(dāng)溶液的pH值變?yōu)?3時(shí)(在常溫下測(cè)定),若該燃料電池的能量利用率為80%,則需消耗CH3OCH3的質(zhì)量為0.24g(假設(shè)溶液電解前后體積不變,保留2位有效數(shù)字).
Ⅱ.硝化法是一種古老的生產(chǎn)硫酸的方法,同時(shí)實(shí)現(xiàn)了氮氧化物的循環(huán)轉(zhuǎn)化,主要反應(yīng)為:NO2(g)+SO2(g)?SO3(g)+NO(g)△H=-41.8kJ•mol-1
(1)下列說法中可以說明該反應(yīng)已達(dá)到平衡狀態(tài)的是bd
a.體系內(nèi)混合氣體的密度保持不變       h.v(NO2=v(SO3
c.容器內(nèi)氣體的總壓強(qiáng)保持不變         d.NO體積分?jǐn)?shù)不再改變
(2)某溫度下,NO2(g)+SO2(g)?SO3(g)+NO(g)的平衡常數(shù)K=$\frac{9}{4}$,該溫度下在甲、乙、丙三個(gè)體積為2L的恒容密閉容器中,投入NO2(g)和SO2(g),其起始濃度如表所示,
 起始濃度 甲 乙 丙
 c(NO2)/mol•L-1 0.10 0.20 0.20
 c(SO2)/mol•L-1 0.10 0.10 0.20
①10min后,甲中達(dá)到平衡,則甲中反應(yīng)的平均速率v(NO2)=0.006mol/(L•min).
②丙達(dá)到平衡所用的時(shí)間<10min(填“<”“>”“=”),達(dá)到平衡后,設(shè)甲、乙、丙中SO2(g)的轉(zhuǎn)化率分別為a、b、c,則三者的大小關(guān)系為a=c<b.

分析 I、(1)根據(jù)二甲醚、氫氣的燃燒熱分別為-1455kJ/mol,-285.8kJ/mol寫出熱化學(xué)方程式:CH3OCH3(g)+3O2(g)=2CO2(g)+3H2O(l)△H=-1455kJ/mol①
H2(g)+$\frac{1}{2}$O2(g)═H2O(l)△H=-285.8kJ/mol②
將②×6-①可得2CO2(g)+6H2(g)=CH3OCH3(g)+3H2O(l)據(jù)此求出△H;
反應(yīng)的平衡常數(shù)的表達(dá)式K=$\frac{生成物的平衡濃度的冪之積}{反應(yīng)物的平衡濃度的冪之積}$;
(2)等物質(zhì)的量的CO和H2在一定條件下可合成CH3OCH3,同時(shí)還產(chǎn)生了一種可參與大氣循環(huán)的無機(jī)化合物,即二氧化碳,據(jù)此寫出化學(xué)方程式;
(3)①由于氫離子移向N極,故N極為正極,M極為負(fù)極,故可燃物CH3OCH3放電生成二氧化碳,結(jié)合酸性環(huán)境來配平;
②該燃料電池的能量利用率為80%,即電池轉(zhuǎn)移電子的80%=電解中轉(zhuǎn)移電子,結(jié)合電子轉(zhuǎn)移守恒計(jì)算.
II、(1)當(dāng)一個(gè)量在平衡之前在變化,而后來不變了,則這個(gè)量可以作為平衡的標(biāo)志;
(2)①根據(jù)反應(yīng)中NO2(g)和SO2(g)的起始濃度分別為0.1mol/L,設(shè)在10min達(dá)到平衡時(shí),NO2濃度的該變量為x,根據(jù)三段式結(jié)合平衡常數(shù)來分析;
②由于容器體積相同,故丙中反應(yīng)物的濃度大于甲,據(jù)此分析反應(yīng)速率;由于是氣體體積不變的反應(yīng),故甲和丙為等效平衡,而乙相當(dāng)于是向甲容器中加入NO2,據(jù)此分析.

解答 解:I、(1)根據(jù)二甲醚、氫氣的燃燒熱分別為-1455kJ/mol,-285.8kJ/mol可知熱化學(xué)方程式:
CH3OCH3(g)+3O2(g)=2CO2(g)+3H2O(l)△H=-1455kJ/mol①
H2(g)+$\frac{1}{2}$O2(g)═H2O(l)△H=-285.8kJ/mol②
將②×6-①可得2CO2(g)+6H2(g)=CH3OCH3(g)+3H2O(l)△H=(-285.8kJ/mol)×6-(-1455kJ/mol)=-259.8kJ•mol-1;
反應(yīng)的平衡常數(shù)的表達(dá)式K=$\frac{生成物的平衡濃度的冪之積}{反應(yīng)物的平衡濃度的冪之積}$=$\frac{c(C{H}_{3}OC{H}_{3})}{{c}^{2}(C{O}_{2}){c}^{6}({H}_{2})}$;
故答案為:2CO2(g)+6H2(g)=CH3OCH3(g)+3H2O(l)△H=-259.8kJ•mol-1;$\frac{c(C{H}_{3}OC{H}_{3})}{{c}^{2}(C{O}_{2}){c}^{6}({H}_{2})}$;
(2)等物質(zhì)的量的CO和H2在一定條件下可合成CH3OCH3,同時(shí)還產(chǎn)生了一種可參與大氣循環(huán)的無機(jī)化合物,即二氧化碳,故化學(xué)方程式為:3CO+3H2=CH3OCH3+CO2,故答案為:3CO+3H2=CH3OCH3+CO2
(3)①由氫離子的移動(dòng)方向可知,M區(qū)為負(fù)極,發(fā)生的電極反應(yīng)式為CH3OCH3+3H2O-12e-=2CO2+12H+,故答案為:CH3OCH3+3H2O-12e-=2CO2+12H+;
②用惰性電極,電解飽和KCl總的電極反應(yīng)式為2Cl-+2H2O$\frac{\underline{\;電解\;}}{\;}$H2↑+Cl2↑+2OH-,pH值變?yōu)?3時(shí),c(OH-)=0.1mol/L,n(OH-)=0.1mol/L×0.5L=0.05mol,
CH3OCH3~12e-~12OH-
 46g          12mol
x×80%        0.05mol,
解得x=0.24g,
故答案為:0.24.
故答案為:0.24g;
II、(1)a.由于反應(yīng)是氣體體積不變的反應(yīng),且全部是氣體,故體系內(nèi)混合氣體的密度一直保持不變,故不能作為平衡的標(biāo)志,故a錯(cuò)誤;
    b.反應(yīng)中v(NO2=v(SO3一直存在,而只有平衡時(shí)才有v(SO3=v(SO3,故只有平衡時(shí)才有v(NO2=v(SO3,故當(dāng)v(NO2=v(SO3時(shí)
,反應(yīng)達(dá)平衡,故b正確;
c.由于反應(yīng)是氣體體積不變的反應(yīng),故容器內(nèi)氣體的總物質(zhì)的量一直不變,則總壓強(qiáng)一直保持不變,故不能作為反應(yīng)達(dá)平衡的標(biāo)志,故c錯(cuò)誤;
d.在反應(yīng)未平衡前,NO的消耗和生成速率不同,故NO體積分?jǐn)?shù)會(huì)改變,當(dāng)NO的體積分?jǐn)?shù)不變時(shí),說明反應(yīng)達(dá)平衡,故d正確.
故選bd.
(2)①根據(jù)反應(yīng)中NO2(g)和SO2(g)的起始濃度分別為0.1mol/L,設(shè)在10min達(dá)到平衡時(shí),NO2濃度的該變量為x,根據(jù)三段式可知:
               NO2(g)+SO2(g)?SO3(g)+NO(g)
初始(mol/L):0.1            0.1           0           0
△C:x              x            x           x
平衡:0.1-x           0.1-x         x           x
根據(jù)平衡常數(shù)為$\frac{9}{4}$可知:$\frac{9}{4}$=$\frac{{x}^{2}}{(0.1-x)^{2}}$      解得x=0.06mol/L.
則平均速率v(NO2)=$\frac{0.06mol/L}{10min}$=0.006mol/(L•min),故答案為:0.006mol/(L•min);
②由于容器體積相同,且反應(yīng)為氣體體積不變的反應(yīng),故按照等比加料,達(dá)到的是等效平衡,故甲和丙為等效平衡,即丙中所達(dá)的平衡狀態(tài)和甲相同,而由于丙中反應(yīng)物的濃度大于甲,故反應(yīng)速率比甲快,到達(dá)平衡的時(shí)間比10min短;由于甲和丙為等效平衡,故甲、丙中SO2(g)的轉(zhuǎn)化率相等,而乙相當(dāng)于是向甲容器中加入NO2,據(jù)故SO2的轉(zhuǎn)化率大于甲,故三個(gè)容器中的轉(zhuǎn)化率的關(guān)系為a=c<b.故答案為:<;a=c<b.

點(diǎn)評(píng) 本題綜合考查了熱化學(xué)方程式的書寫、燃料電池和反應(yīng)速率的計(jì)算、化學(xué)平衡等問題,綜合性較強(qiáng),是高考的常見題型,應(yīng)注意掌握.

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①2FeBr2+3Cl2=2FeCl3+2Br2    ②Na2CO3+2HCl=2NaCl+H2O+CO2
(1)根據(jù)兩個(gè)反應(yīng)的本質(zhì)判斷,您認(rèn)為可以設(shè)計(jì)成原電池的是①(填反應(yīng)序號(hào)),理由是反應(yīng)①是氧化還原反應(yīng),有電子轉(zhuǎn)移.
(二)請(qǐng)根據(jù)Fe+CuSO4=FeSO4+Cu反應(yīng),選擇適宜的材料和試劑設(shè)計(jì)一個(gè)原電池
(2)畫出原電池裝置圖,并在圖中標(biāo)注出電極和電解質(zhì)溶液的名稱.
(3)寫出該原電池電極反應(yīng)式:正極:Cu2++2e-=Cu;負(fù)極:Fe-2e-=Fe2+

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(2)裝置④中,通電一開始,F(xiàn)e極上發(fā)生的電極反應(yīng)式是Fe-2e-=Fe;C極上發(fā)生的電極反應(yīng)式是O2+2H2O+4e-=4OH-
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