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)反應生成N₂ (g)、CO₂ (g)和H₂O(1)的熱化學方程式                  。
（2）利用Fe²⁺、Fe³⁺的催化作用，常溫下可將SO₂轉化為SO₄^2-，從而實現對SO₂的治理。已知含SO₂的廢氣通入含Fe²⁺、Fe³⁺的溶液時，其中一個反應的離子方程式為4Fe²⁺ + O₂+ 4H⁺ ＝4Fe³⁺ + 2H₂O，則另一反應的離子方程式為                                 。
(3)用活性炭還原法處理氮氧化物。有關反應為：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，反應進行到不同時間測得各物質的濃度如下：

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) 表示的反應速率為                        。
②根據表中數據，計算T₁℃時該反應的平衡常數為   　　   （保留兩位小數）。
③一定溫度下，隨著NO的起始濃度增大，則NO的平衡轉化率      （填“增大”、“不變”或“減小”） 。
④下列各項能作為判斷該反應達到平衡的是    　　　   （填序號字母）。
A．容器內壓強保持不變　　       B．2v_正(NO)＝v_逆(N₂)
C．容器內CO₂的體積分數不變     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

(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）
②K＝0.56（2分）    ③不變（2分）  ④C、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）根據熱化學方程式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，依據蓋斯定律可知（①＋②）×＋③×2即得到反應CH₄(g)+2NO₂(g)＝N₂(g) + CO₂(g) +2H₂O(l)，則該反應的反應熱△H＝（－574 kJ·mol^－1－1160 kJ·mol^－1）×－44.0 kJ·mol^－1×2＝－955 kJ·mol^－1。
（2）根據方程式4Fe²⁺ + O₂+ 4H⁺ ＝4Fe³⁺ + 2H₂O可知，反應中有鐵離子生成。而鐵離子具有氧化性，能把SO₂氧化生成硫酸，因此另一個反應的離子方程式為2Fe³⁺ + SO₂+ 2H₂O＝2Fe²⁺+SO₄^2-+4H⁺。
（3）①根據表中數據可知，10min～20min內CO₂的濃度變化量＝0.30mol/L－0.21mol/L＝0.09mol/L，因此以v(CO₂)表示的反應速率v(CO₂)＝＝0.009 mol·L^－1·min^－1。
②根據表中數據可知，反應進行到20min時各物質的濃度不再發生變化，此時反應達到平衡狀態，則根據平衡常數表達式K＝＝＝0.56。
③根據方程式可知，該反應前后體積不變，且反應物只有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的轉化率不變。
④在一定條件下，當可逆反應的正反應速率和逆反應速率相等時（但不為0），反應體系中各種物質的濃度或含量不再發生變化的狀態，稱為化學平衡狀態，據此可以判斷。A、該反應前后體積不變，因此壓強始終是不變的，所以容器內壓強保持不變不能作為判斷的依據，A不正確；B、根據方程式并依據反應速率之比是相應的化學計量數之比可知2v_正(NO)＝2×2v_正(N₂)＝v_逆(N₂)，所以氮氣的正逆反應速率不相等，B不正確；C、容器內CO₂的體積分數不變說明正反應速率相等，達到平衡狀態，C正確；D、密度度是混合氣的質量和容器容積的比值，在反應過程中容積始終是不變的，但混合氣的質量是變化的，因此當混合氣體的密度保持不變時說明混合氣的質量不再發生變化，可以說明反應達到平衡狀態，D正確，答案選CD。
⑤根據表中數據可知，反應從30min～40min時NO的濃度減小，氮氣的濃度增大，而CO₂的濃度減小，因此改變的條件應該是減小了CO₂的濃度；30min后降低了CO₂的濃度，平衡向正反應方向移動，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：考查熱化學方程式的書寫、氧化還原反應的應用；反應速率和平衡常數計算、外界條件對平衡狀態的影響、平衡狀態的判斷以及圖像作圖