Question

11．工業燃燒煤、石油等化石燃料釋放出大量氨氧化物NO₃、CO₂、SO₂等氣體，嚴重污染空氣．對廢氣進行脫硝、脫碳和脫硫處理可實現綠色環保、廢物利用．
Ⅰ．脫硝：已知：H₂的燃燒熱為285.8kJ•mol^-1
N₂（g）+2O₂（g）=2NO₂（g）△H=+133kJ•mol^-1
H₂O（g）=H₂O（l）△H=-44kJ•mol^-1
催化劑存在下，H₂還原NO₂生成水蒸氣和其它無毒物質的熱化學方程式為4H₂（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+4H₂O（g）△H=-1100.2kJ•mol^-1．
Ⅱ．脫碳：向2L密閉容器中加入2molCO₂、6molH₂，在適當的催化劑作用下，發生反應：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（l）+H₂O（l）△H＜0
（1）①下列敘述能說明此反應達到平衡狀態的是de．
a．混合氣體的平均摩爾質量保持不變   
b．CO₂和H₂的體積分數保持不變
c．CO₂和H₂的轉化率相等   
d．混合氣體的密度保持不變
e.1molCO₂生成的同時有3molH-H鍵斷裂
②CO₂的濃度隨時間（0～t₂）變化如圖所示，在t₂時將容器容積縮小一倍，t₃時達到平衡，t₄時降低溫度，t₅時達到平衡，請畫出t₂～t₄CO₂的濃度隨時間的變化．

（2）改變溫度，使反應CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H＜0中的所有物質都為氣態．起始溫度體積相同（T₁℃、2L密閉容器）．反應過程中部分數據見下表：

	反應時間	CO2（mol）	H2（mol）	CH3OH（mol）	H2O（mol）
反應Ⅰ恒溫恒容	0min	2	6	0	0
	10min		4.5
	20min	1
	30min			1
反應Ⅱ絕熱恒容	0min	0	0	2	2

①達到平衡時，反應Ⅰ、Ⅱ對比：平衡常數K（Ⅰ）＜K（Ⅱ）（填“＞”、“＜”或“=”）．
②對反應Ⅰ，前10min內的平均反應速率v（CH₃OH）=0.025mol/（L．min）；；在反應Ⅰ的條件下，該反應的平衡常數為$\frac{4}{27}$
③對反應Ⅰ，在其它條件不變，若30min時只改變一個條件，此時H₂的物質的量濃度為1.6mol/L，則該條件可能為減少CO₂的濃度，增大甲醇或水蒸氣濃度，或升高溫度．（寫出兩個情況即可）
④對反應Ⅰ，若30min時只向容器中再充入1molCO₂（g）和1molH₂O（g），則平衡不移動（填“正向”、“逆向”或“不”）．

Answer 1

分析 Ⅰ．H₂的燃燒熱為285.8kJ•mol^-1，則①． 2H₂（g）+O₂（g）=2H₂O（l）△H=-571.6kJ•mol^-1，
②．N₂（g）+2O₂（g）=2NO₂（g）△H=+133kJ•mol^-1
③．H₂O（g）=H₂O（l）△H=-44kJ•mol^-1
根據蓋斯定律，①×2-②-③×4可得：4H₂（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+4H₂O（g），反應熱也進行相應的計算；
Ⅱ．（1）①可能反應到達平衡時，正逆反應速率相等，各組分的濃度、含量不變，由此衍生的其它一些物理量不變，判斷平衡的物理量應隨反應進行發生變化，該物理量由變化到不變化，說明到達平衡；
②t₂時CO₂濃度為0.5mol/L，則氫氣濃度變化量為（1mol/L-0.5mol/L）×3=1.5mol/L，氫氣平衡濃度為$\frac{6mol}{2L}$-1.5mol/L=1.5mol/L，則該溫度下平衡常數K=$\frac{1}{0.5×1．{5}^{3}}$，
在t₂時將容器容積縮小一倍，瞬間CO₂濃度變為1mol/L，壓強增大，平衡向正反應方向移動，t₃時達到平衡時，等效為開始體積縮小一倍到達的平衡，設此時CO₂濃度為xmol/L，則：
             CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（l）+H₂O（l）
開始（mol/L）：2       6       
轉化（mol/L）：2-x      6-3x
平衡（mol/L）：x        3x
則$\frac{1}{x×（3x）^{3}}$=$\frac{1}{0.5×1．{5}^{3}}$，解得x=0.5，
t₃時達到平衡時CO₂濃度為0.5mol/L，t₄時降低溫度，瞬間CO₂濃度不變，正反應為放熱反應，而后平衡向正反應移動，CO₂濃度減��；
（2）①I為恒溫，Ⅱ為絕熱容器，反應向逆反應進行，逆反應為吸熱反應，平衡時溫度比I中低，升高溫度平衡向逆反應方向移動；
②根據v=$\frac{△c}{△t}$計算v（H₂），再根據速率之比等于化學計量數之比計算v（CH₃OH）；
20min時，轉化的CO₂為2mol-1mol=1mol，則生成的CH₃OH為1mol，而30min時CH₃OH為1mol，故20min時到達平衡，計算平衡時各組分濃度，代入平衡常數表達式K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）×c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）×{c}^{3}（{H}_{2}）}$計算；
③平衡時氫氣為6mol-1mol×3=3mol，氫氣平衡濃度為$\frac{3mol}{2L}$=1.5mol/L，在其它條件不變，若30min時只改變一個條件，此時H₂的物質的量濃度為1.6mol/L，減少CO₂的濃度，增大甲醇或水蒸氣濃度，平衡逆向移動，氫氣濃度增大，由于正反應為放熱反應，升高溫度，平衡逆向移動；
④計算濃度商Qc，與平衡常數比較判斷平衡是否移動．

解答 解：Ⅰ．H₂的燃燒熱為285.8kJ•mol^-1，則①． 2H₂（g）+O₂（g）=2H₂O（l）△H=-571.6kJ•mol^-1，
②．N₂（g）+2O₂（g）=2NO₂（g）△H=+133kJ•mol^-1
③．H₂O（g）=H₂O（l）△H=-44kJ•mol^-1
根據蓋斯定律，①×2-②-③×4可得：4H₂（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+4H₂O（g），
則：△H=2×（-571.6kJ•mol^-1）-133kJ•mol^-1-4×（-44kJ•mol^-1）=-1100.2kJ•mol^-1，
故反應熱化學方程式為：4H₂（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+4H₂O（g）△H=-1100.2kJ•mol^-1，
故答案為：4H₂（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+4H₂O（g）△H=-1100.2kJ•mol^-1；
Ⅱ．（1）①a．甲醇、水為液體，CO₂、H₂的起始物質的量之比為1：3，反應按物質的量1：3反應，故混合氣體中CO₂、H₂的起始物質的量之比為1：3，平均摩爾質量數值保持不變，故a錯誤；
b．由a中分析，可知CO₂和H₂的體積分數數值保持不變，故b錯誤；
c．由a中分析，可知CO₂和H₂的轉化率始終相等，故c錯誤；
d．容器容積不變，混合氣體質量減小，隨反應進行混合氣體密度減小，當混合氣體的密度不變，反應到達平衡，故d正確；
e.1molCO₂生成的同時有3molH-H鍵斷裂，而1molCO₂生成的同時生成3molH-H鍵，氫氣的生成速率與消耗速率相等，反應到達平衡，故e正確，
故選：de；
②t₂時CO₂濃度為0.5mol/L，則氫氣濃度變化量為（1mol/L-0.5mol/L）×3=1.5mol/L，氫氣平衡濃度為$\frac{6mol}{2L}$-1.5mol/L=1.5mol/L，則該溫度下平衡常數K=$\frac{1}{0.5×1．{5}^{3}}$，
在t₂時將容器容積縮小一倍，瞬間CO₂濃度變為1mol/L，壓強增大，平衡向正反應方向移動，t₃時達到平衡時，等效為開始體積縮小一倍到達的平衡，設此時CO₂濃度為xmol/L，則：
            CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（l）+H₂O（l）
開始（mol/L）：2      6
轉化（mol/L）：2-x    6-3x
平衡（mol/L）：x      3x
則$\frac{1}{x×（3x）^{3}}$=$\frac{1}{0.5×1．{5}^{3}}$，解得x=0.5，
t₃時達到平衡時CO₂濃度為0.5mol/L，t₄時降低溫度，瞬間CO₂濃度不變，正反應為放熱反應，而后平衡向正反應移動，CO₂濃度減小，畫出t₂～t₄CO₂的濃度隨時間的變化如圖：

故答案為：；
（2）①I為恒溫，Ⅱ為絕熱容器，反應向逆反應進行，逆反應為吸熱反應，平衡時溫度比I中低，升高溫度平衡向逆反應方向移動，故平衡常數K（Ⅰ）＜K（Ⅱ），
故答案為：＜；
②v（H₂）=$\frac{\frac{6mol-4.5mol}{2L}}{10min}$=0.075mol/（L．min），速率之比等于化學計量數之比，v（CH₃OH）=$\frac{1}{3}$v（H₂）=0.025mol/（L．min）；
20min時，轉化的CO₂為2mol-1mol=1mol，則生成的CH₃OH為1mol，而30min時CH₃OH為1mol，故20min時到達平衡，
             CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）
開始（mol/L）：2       6          0       0
轉化（mol/L）：1       3          1       1
平衡（mol/L）：1       3          1       1
故平衡常數K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）×c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）×{c}^{3}（{H}_{2}）}$=$\frac{\frac{1}{2}×\frac{1}{2}}{\frac{1}{2}×（\frac{3}{2}）^{3}}$=$\frac{4}{27}$，
故答案為：0.025mol/（L．min）；$\frac{4}{27}$；
③平衡時氫氣為6mol-1mol×3=3mol，氫氣平衡濃度為$\frac{3mol}{2L}$=1.5mol/L，在其它條件不變，若30min時只改變一個條件，此時H₂的物質的量濃度為1.6mol/L，減少CO₂的濃度，增大甲醇或水蒸氣濃度，平衡逆向移動，氫氣濃度增大，由于正反應為放熱反應，可以升高溫度，
故答案為：減少CO₂的濃度，增大甲醇或水蒸氣濃度，或升高溫度；
④對反應Ⅰ，若30min時只向容器中再充入1molCO₂（g）和1molH₂O（g），此時濃度商Qc=$\frac{\frac{1}{2}×\frac{2}{2}}{\frac{2}{2}×（\frac{3}{2}）^{3}}$=$\frac{4}{27}$=K=$\frac{4}{27}$，則平衡不移動，
故答案為：不．

點評 本題考查化學平衡有關計算、平衡影響因素、化學平衡狀態判斷、平衡常數、熱化學方程式書寫等，題目中作圖為易錯點，學生容易忽略體積壓縮一倍后到達平衡時二氧化碳的具體濃度，難度中等．