Question

（15分）隨著大氣污染的日趨嚴重，國家擬于“十二五”期間，將二氧化硫(SO₂)排放量減少8%，氮氧化物(NOx)排放量減少10%。目前，消除大氣污染有多種方法。

(1)用CH₄催化還原氮氧化物可以消除氮氧化物的污染。已知：

①CH₄(g)+4NO₂(g)＝4NO(g) + CO₂(g) +2H₂O(g)    ⊿H＝ -574 kJ·mol^－1

②CH₄(g) +4NO(g)＝2N₂(g) + CO₂(g) + 2H₂O(g)    ⊿H＝-1160 kJ·mol^－1

③H₂O(g)＝H₂O(l)     △H＝-44.0 kJ·mol^－1

寫出CH₄(g)與NO₂(g)反應(yīng)生成N₂ (g)、CO₂ (g)和H₂O(1)的熱化學(xué)方程式                   。

（2）利用Fe²⁺、Fe³⁺的催化作用，常溫下可將SO₂轉(zhuǎn)化為SO₄^2-，從而實現(xiàn)對SO₂的治理。已知含SO₂的廢氣通入含F(xiàn)e²⁺、Fe³⁺的溶液時，其中一個反應(yīng)的離子方程式為4Fe²⁺ + O₂+ 4H⁺ ＝4Fe³⁺ + 2H₂O，則另一反應(yīng)的離子方程式為                                  。

(3)用活性炭還原法處理氮氧化物。有關(guān)反應(yīng)為：C(s)+2NO(g)N₂(g)+CO₂(g)。某研究小組向密閉的真空容器中（假設(shè)容器體積不變，固體試樣體積忽略不計）加入NO和足量的活性炭，恒溫(T₁℃)條件下反應(yīng)，反應(yīng)進行到不同時間測得各物質(zhì)的濃度如下：

濃度/mol·L－1 時間/min	NO	N2	CO2
0	1.00	0	0
10	0.58	0.21	0.21
20	0.40	0.30	0.30
30	0.40	0.30	0.30
40	0.32	0.34	0.17
50	0.32	0.34	0.17

 

①10min～20min以v(CO₂) 表示的反應(yīng)速率為                        。

②根據(jù)表中數(shù)據(jù)，計算T₁℃時該反應(yīng)的平衡常數(shù)為    　　    （保留兩位小數(shù)）。

③一定溫度下，隨著NO的起始濃度增大，則NO的平衡轉(zhuǎn)化率       （填“增大”、“不變”或“減小”） 。

④下列各項能作為判斷該反應(yīng)達到平衡的是    　　　    （填序號字母）。

A．容器內(nèi)壓強保持不變　　        B．2v_正(NO)＝v_逆(N₂)

C．容器內(nèi)CO₂的體積分數(shù)不變      D．混合氣體的密度保持不變

⑤30min末改變某一條件，過一段時間反應(yīng)重新達到平衡，則改變的條件可能是           。請在右圖中畫出30min至40min 的變化曲線。

 

 

Answer 1

【答案】

(1) CH₄(g)+2NO₂(g)＝N₂(g) + CO₂(g) +2H₂O(l)；⊿H＝ -955 kJ·mol^－1（2分）

(2) 2Fe³⁺ + SO₂+ 2H₂O＝2Fe²⁺+ SO₄^2- + 4H⁺  (2分)   (3) ① 0.009 mol·L^－1·min^－1（2分）

② K＝0.56（2分）     ③ 不變（2分）   ④ C、D   （2分）    ⑤減小 CO₂ 的濃度   （1分）

作圖要點：（2分）①起點在30min時V_逆­(CO ₂)的一半左右 ②終點不超過30min時V_逆­(CO ₂)

【解析】

試題分析：（1）根據(jù)熱化學(xué)方程式①CH₄(g)+4NO₂(g)＝4NO(g) + CO₂(g) +2H₂O(g)    ⊿H＝ -574 kJ·mol^－1、②CH₄(g) +4NO(g)＝2N₂(g) + CO₂(g) + 2H₂O(g)    ⊿H＝-1160 kJ·mol^－1、③H₂O(g)＝H₂O(l)     △H＝-44.0 kJ·mol^－1，依據(jù)蓋斯定律可知（①＋②）×＋③×2即得到反應(yīng)CH₄(g)+2NO₂(g)＝N₂(g) + CO₂(g) +2H₂O(l)，則該反應(yīng)的反應(yīng)熱△H＝（－574 kJ·mol^－1－1160 kJ·mol^－1）×－44.0 kJ·mol^－1×2＝－955 kJ·mol^－1。

（2）根據(jù)方程式4Fe²⁺ + O₂+ 4H⁺ ＝4Fe³⁺ + 2H₂O可知，反應(yīng)中有鐵離子生成。而鐵離子具有氧化性，能把SO₂氧化生成硫酸，因此另一個反應(yīng)的離子方程式為2Fe³⁺ + SO₂+ 2H₂O＝2Fe²⁺+ SO₄^2- + 4H⁺。

（3）①根據(jù)表中數(shù)據(jù)可知，10min～20min內(nèi)CO₂的濃度變化量＝0.30mol/L－0.21mol/L＝0.09mol/L，因此以v(CO₂)表示的反應(yīng)速率v(CO₂)＝＝0.009 mol·L^－1·min^－1。

②根據(jù)表中數(shù)據(jù)可知，反應(yīng)進行到20min時各物質(zhì)的濃度不再發(fā)生變化，此時反應(yīng)達到平衡狀態(tài)，則根據(jù)平衡常數(shù)表達式K＝＝＝0.56。

③根據(jù)方程式可知，該反應(yīng)前后體積不變，且反應(yīng)物只有NO是氣體。因此改變NO的起始濃度相當于改變壓強，平衡不移動，所以NO的轉(zhuǎn)化率不變。

④在一定條件下，當可逆反應(yīng)的正反應(yīng)速率和逆反應(yīng)速率相等時（但不為0），反應(yīng)體系中各種物質(zhì)的濃度或含量不再發(fā)生變化的狀態(tài)，稱為化學(xué)平衡狀態(tài)，據(jù)此可以判斷。A、該反應(yīng)前后體積不變，因此壓強始終是不變的，所以容器內(nèi)壓強保持不變不能作為判斷的依據(jù)，A不正確；B、根據(jù)方程式并依據(jù)反應(yīng)速率之比是相應(yīng)的化學(xué)計量數(shù)之比可知2v_正(NO)＝2×2v_正(N₂)＝v_逆(N₂)，所以氮氣的正逆反應(yīng)速率不相等，B不正確；C、容器內(nèi)CO₂的體積分數(shù)不變說明正反應(yīng)速率相等，達到平衡狀態(tài)，C正確；D、密度度是混合氣的質(zhì)量和容器容積的比值，在反應(yīng)過程中容積始終是不變的，但混合氣的質(zhì)量是變化的，因此當混合氣體的密度保持不變時說明混合氣的質(zhì)量不再發(fā)生變化，可以說明反應(yīng)達到平衡狀態(tài)，D正確，答案選CD。

⑤根據(jù)表中數(shù)據(jù)可知，反應(yīng)從30min～40min時NO的濃度減小，氮氣的濃度增大，而CO₂的濃度減小，因此改變的條件應(yīng)該是減小了CO₂的濃度；30min后降低了CO₂的濃度，平衡向正反應(yīng)方向移動，但最終平衡時CO的濃度仍然比原平衡時小，所以此時的圖像可表示為

。

考點：考查熱化學(xué)方程式的書寫、氧化還原反應(yīng)的應(yīng)用；反應(yīng)速率和平衡常數(shù)計算、外界條件對平衡狀態(tài)的影響、平衡狀態(tài)的判斷以及圖像作圖