Question

5．進入冬季北方開始供暖后，霧霾天氣愈發嚴重，各地PM2.5、PM10經常“爆表”．引發霧霾天氣的污染物中，最為常見的是機動車尾氣中的氮氧化物和燃煤產生的煙氣．
Ⅰ、已知反應N₂O₄（g）?2NO₂（g）△H，隨溫度升高，混合氣體的顏色變深．將一定量N₂O₄氣體充入絕熱容器一段時間后，研究壓縮和拉伸活塞過程中混合氣體的氣體的透光率（氣體顏色越淺，透光率越大）隨時間變化情況．下列說法能說明透光率不再發生改變的有ad．
a．氣體顏色不再改變        b．△H不再改變
c．v_正（N₂O₄）=2v_逆（NO₂）    d．N₂O₄的轉化率不再改變
Ⅱ、用NH₃催化還原NOx可以消除氮氧化物的污染．右下圖，采用NH₃作還原劑，煙氣以一定的流速通過兩種不同催化劑，測量逸出氣體中氮氧化物含量，從而確定煙氣脫氮率（注：脫氮率即氮氧化物轉化率），反應原理為：
NO（g）+NO₂（g）+2NH₃（g）?2N₂（g）+3H₂O（g）．
（1）該反應的△S＞0（填“＞”、“=”或“＜”）．
（2）以下說法正確的是C．
A．第②種催化劑比第①種催化劑脫氮率高
B．相同條件下，改變壓強對脫氮率沒有影響
C．催化劑①、②分別適合于250℃和450℃左右脫氮
Ⅲ、用CH₄催化還原NO_x也可以消除氮氧化物的污染．
（3）已知：CH₄（g）的標準燃燒熱為-890kJ/mol，蒸發1mol H₂O（l）需要吸收44kJ熱量．
CH₄（g）+4NO（g）═2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-1114kJ/mol
2NO（g）+O₂（g）═2NO₂（g）△H=-114kJ/mol
寫出CH₄催化還原NO₂（g）生成N₂和H₂O（g）的熱化學方程式：CH₄（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-844kJ/mol．
（4）在溫度為T₁℃和T₂℃時，分別將0.5mol CH₄和1.2mol NO₂充入體積為1L的密閉容器中，測得NO₂的物質的量隨時間變化數據如下表：

時間/min 溫度/℃	0	10	20	40	50
T1	1.2	0.9	0.7	0.4	0.4
T2	1.2	0.8	0.56	…	0.5

①溫度為T₁℃時，0～20min內，v（CH₄）=0.0125mol/（L．s）．
②T₁＜T₂（填“＞”或“＜”，下空同）；判斷理由是升高溫度，NO₂的物質的量增大，平衡逆向移動，正反應為放熱反應．
③T₁℃時，反應CH₄（g）+2NO₂（g）?N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）平衡常數K=6.4．
④溫度為T₂℃時，達平衡后，再向容器中加入0.5mol CH₄和1.2mol NO₂，達新平衡時CH₄的轉化率將減小（填“增大”、“減小”或“不變”）．

Answer 1

分析 Ⅰ．透光率不再發生改變，說明二氧化氮的濃度不變，反應到達平衡；
Ⅱ．（1）熵是用描述混亂程度的，△S就是混亂程度的變化，根據反應前后氣體體積變化判斷熵變；
（2）A、催化劑只影響反應速率，不會改變轉化率；
B、根據反應原理可知，正反應是體積增大的反應，壓強影響脫氮率；
C、根據圖象數據可知，催化劑①、②發揮增大催化效果的溫度分別為250℃和450℃；
Ⅲ．（3）已知：CH₄（g）的標準燃燒熱為-890kJ/mol，蒸發1mol H₂O（l）需要吸收44kJ熱量．寫出熱化學方程式，結合蓋斯定律計算得到所需熱化學方程式；
（4）①根據v=$\frac{△c}{△t}$ 計算v（NO₂），再利用速率之比等于化學計量數之比計算v（CH₄）；
②由表中數據可知，T₂溫度反應速率較快，溫度越高，反應速率越快，先到達平衡，而升高溫度，NO₂的物質的量增大，說明平衡逆向移動；
③化學平衡常數是指：一定溫度下，可逆反應到達平衡時，生成物的濃度系數次冪之積與反應物的濃度系數次冪之積的比，固體、純液體不需要在化學平衡常數中寫出；溫度為T₁℃時，40min到達平衡，計算平衡時各組分濃度，代入平衡常數表達式計算；
④溫度為T₂℃時，達平衡后，再向容器中加入0.5mol CH₄和1.2mol NO₂，等效在原平衡基礎上增大壓強，平衡逆向移動．

解答 解：Ⅰ．透光率不再發生改變，說明二氧化氮的濃度不變，反應到達平衡，
a．氣體顏色不再改變，說明二氧化氮濃度不變，透光率不再發生改變，故a正確；
b．焓變△H與是否到達平衡無關，與物質的聚集狀態與化學計量數有關，故b錯誤；
c．應是2v_正（N₂O₄）=v_逆（NO₂）時，反應到達平衡，二氧化氮的濃度不變，故c錯誤；
d．N₂O₄的轉化率不再改變，反應到達平衡，二氧化氮的濃度不變，透光率不再發生改變，故d正確，
故答案為：ad；
Ⅱ．（1）反應前氣體的化學計量數為4，反應后計量數之和為5，正反應是混亂度增加的反應，所以△S＞0；故答案為：＞；
（2）A．催化劑不會影響轉化率，只影響反應速率，所以第②種催化劑和第①種催化劑對轉化率沒有影響，故A錯誤；
B．該反應為體積增大的反應，增大壓強，平衡向著逆向移動，所以壓強對脫氮率有影響，故B錯誤；
C．由圖象可知，催化劑①、②分別適合于250℃和450℃左右脫氮，其催化活性最好，故C正確；
故答案為：C；
Ⅲ．（3）CH₄（g）的標準燃燒熱為-890kJ/mol，熱化學方程式：①CH₄（g）+2O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-890KJ/mol，
蒸發1mol H₂O（l）需要吸收44kJ熱量，反應的熱化學方程式：②H₂O（l）=H₂O（g）△H=44KJ/mol，
③CH₄（g）+4NO（g）═2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-1114kJ/mol
④2NO（g）+O₂（g）═2NO₂（g）△H=-114kJ/mol
依據蓋斯定律計算①+②×2+③-④×2CH₄催化還原NO₂（g）生成N₂和H₂O（g）的熱化學方程式CH₄（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-844kJ/mol，
故答案為：CH₄（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-844kJ/mol；
（4）①溫度為T₁℃時，0～20min內v（NO₂）=$\frac{\frac{1.2mol-0.7mol}{1L}}{20s}$=0.025mol/（L．s），速率之比等于化學計量數之比，則v（CH₄）=$\frac{1}{2}$v（NO₂）=0.0125mol/（L．s），
故答案為：0.0125mol/（L．s）；
②由表中數據可知，T₂溫度反應速率較快，溫度越高，反應速率越快，故溫度T₁＜T₂，溫度T₂先到達平衡，而升高溫度，NO₂的物質的量增大，說明平衡逆向移動，故正反應為放熱反應，則△H＜0，
故答案為：＜；升高溫度，NO₂的物質的量增大，平衡逆向移動，正反應為放熱反應；
③溫度為T₁℃時，40min到達平衡，平衡時二氧化氮物質的量為0.4mol，則：
            CH₄（g）+2NO₂（g）?N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）
起始量（mol）：0.5    1.2       0       0       0
變化量（mol）：0.4      0.8       0.4     0.4     0.8
平衡量（mol）：0.1     0.4        0.4     0.4     0.8
容器的體積為1L，則平衡常數K=$\frac{c（{N}_{2}）×c（C{O}_{2}）×{c}^{2}（{H}_{2}O）}{c（C{H}_{4}）×{c}^{2}（N{O}_{2}）}$=$\frac{0.4×0.4×0．{8}^{2}}{0.1×0．{4}^{2}}$=6.4，
故答案為：6.4；
④溫度為T₂℃時，達平衡后，再向容器中加入0.5mol CH₄和1.2mol NO₂，等效在原平衡基礎上增大壓強，平衡逆向移動，達新平衡時CH₄的轉化率將減小，
故答案為：減小．

點評 本題考查化學平衡計算與影響因素、平衡常數、平衡狀態判斷等，側重考查學生分析計算能力，難度中等．