Question

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=-574kJ?mol^-1
②CH₄（g）+4NO（g）=2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-1160kJ?mol^-1
③H₂O（g）=H₂O（l）△H=-44.0kJ?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

 

．請在如圖中畫出30min至40min的變化曲線

 

．

Answer 1

分析：（1）利用已知熱化學方程式和蓋斯定律計算得到所需熱化學方程式，通過加減熱化學方程式消去一氧化氮和氣態水，焓變隨之改變；
（2）因二氧化硫具有還原性，鐵離子具有氧化性，鐵離子能氧化二氧化硫為硫酸寫出離子方程式；
（3）①由圖表數據分析，結合反應速率概念計算得到，v=

△c

△t

；
②20min-30min反應達到平衡，圖表中平衡濃度，依據平衡常數的概念計算得到；
③反應是氣體體積不變的反應，反應物只有氣體一氧化氮，增大一氧化氮濃度相當于增大容器內壓強對平衡的影響分析；
④依據化學平衡狀態的實質是正逆反應速率相等，結合反應特征分析判斷；
⑤依據圖表數據變化分析，30min末一氧化氮和二氧化碳濃度減小，氮氣濃度增大，結合計算平衡常數和濃度變化分析判斷；改變的條件可能是減小二氧化碳濃度，據此畫出圖象．

解答：解：（1）①CH₄（g）+4NO₂（g）=4NO（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-574kJ?mol^-1
②CH₄（g）+4NO（g）=2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-1160kJ?mol^-1
③H₂O（g）=H₂O（l）△H=-44.0kJ?mol^-1
由蓋斯定律①+②+③×2得到：2CH₄（g）+4NO₂（g）=2N₂（g）+2CO₂（g）+4H₂O（l）；△H=-1910 kJ?mol^-1；
則熱化學方程式為：CH₄（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（l）；△H=-955 kJ?mol^-1；
故答案為：CH₄（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-955 kJ?mol^-1；
（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，則另一反應為二氧化硫被鐵離子氧化為硫酸，反應的離子方程式為：2Fe³⁺+SO₂+2H₂O=2Fe²⁺+SO₄^2-+4H⁺，
故答案為：2Fe³⁺+SO₂+2H₂O=2Fe²⁺+SO₄^2-+4H⁺；
（3）①10min～20min以v（CO₂） 表示的反應速率=

0.3mol/L-0.21mol/L

10min

=0.009 mol?L^-1?min^-1，故答案為：0.009 mol?L^-1?min^-1；
②20-30min反應達到平衡狀態，C（s）+2NO（g）?N₂ （g）+CO₂ （g），各物質的平衡濃度為：c（CO₂）=c（N₂）=0.3mol/L；c（NO）=0.4mol/L，反應的平衡常數為：K=

c(CO2)c(N2)

c2(NO)

=

0.3×0.3

0．42

=0.56，故答案為：0.56；   
③一定溫度下，隨著NO的起始濃度增大，C（s）+2NO（g）?N₂（g）+CO₂（g）．反應是氣體體積不變的反應；增大一氧化氮濃度相當于增大體系壓強，平衡不動，一氧化氮轉化率不變，故答案為：不變；
④C（s）+2NO（g）?N₂（g）+CO₂（g）．反應是氣體體積不變的反應；
A．反應是氣體體積不變的反應，反應過程中和反應平衡狀態壓強相同，所以容器內壓強保持不變不能說明反應達到平衡，故A錯誤；
B．反應速率之比等于化學方程式系數之比，當v_正（NO）=2v_逆（N₂），反應達到平衡，v_正（NO）=2v_正（N₂）z只能說明反應正向進行，故B錯誤；
C．容器內CO₂的體積分數不變，說明反應達到平衡，故C正確；
D．混合氣體密度等于質量除以體積，反應中碳是固體，平衡移動氣體質量變化，體積不變，所以混合氣體的密度保持不變，說明反應達到平衡，故D正確；
故選CD；   
⑤30min時改變某一條件，反應重新達到平衡，依據平衡常數計算得到c（N₂）=0.34mol/L；c（CO₂）=0.17mol/L；c（NO）=0.32mol/L；K=

c(CO2)c(N2)

c2(NO)

=

0.34×0.17

0.322

=0.56，化學平衡常數隨溫度變化，平衡常數不變說明改變的條件一定不是溫度；依據數據分析，氮氣濃度增大，二氧化碳和一氧化氮濃度減小，反應前后氣體體積不變，所以減小二氧化碳濃度，平衡正向進行的結果；依據二氧化碳濃度減小在圖象中畫出濃度變化如圖所示，作圖要點：①起點在30min時V_逆（CO₂）的一半左右；②終點不超過30min時V_逆（CO₂），則圖象為，
故答案為：減小CO₂ 的濃度；．

點評：本題考查了熱化學方程式的書寫和蓋斯定律計算應用，化學反應速率、化學平衡常數及其化學平衡影響因素和平衡標志的分析判斷，圖象繪制是解題的難點，題目難度中等．