Question

10．霧霾由多種污染物形成，其中包含顆粒物（包括PM2.5在內）、氮氧化物（NO_x）、CO、SO₂等．化學在解決霧霾污染中有著重要的作用．
（1）已知：2SO₂（g）+O₂（g）?2SO₃（g）△H=-196.6kJ•mol^-1
2NO（g）+O₂（g）?2NO₂（g）△H=-113.0kJ•mol^-1
則反應NO₂（g）+SO₂（g）?SO₃（g）+NO（g）△H=-41.8kJ•mol^-1．
一定條件下，將NO₂與SO₂以體積比1：2置于恒溫恒容的密閉容器中發生上述反應，下列能說明反應達到平衡狀態的有bc．
a．體系密度保持不變            b．混合氣體顏色保持不變
c．SO₂和NO的體積比保持不變   d．每消耗1mol SO₃的同時生成1mol NO₂
測得上述反應平衡時NO₂與SO₂體積比為1：5，則平衡常數K=1.8．
（2）CO、CO₂都可用于合成甲醇．
①CO用于合成甲醇反應方程式為：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g），CO在不同溫度下的平衡轉化率與壓強的關系如圖1所示．實際生產條件控制在250℃、1.3×10⁴kPa左右，選擇此壓強的理由是此壓強下CO的轉化率已較高，再增大壓強轉化率提高不大且會增加生產成本．
②CO₂用于合成甲醇反應方程式為：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g），圖2是科學家現正研發的，以實現上述反應在常溫常壓下進行的裝置．寫出甲槽的電極反應CO₂+6e^-+6H⁺=CH₃OH+H₂O．
（3）圖3是一種用NH₃脫除煙氣中NO的原理．
①該脫硝原理中，NO最終轉化為H₂O和N₂（填化學式）．
②當消耗2mol NH₃和0.5molO₂時，除去的NO在標準狀況下的體積為44.8L．
（4）NO直接催化分解（生成N₂和O₂）也是一種脫硝途徑．在不同條件下，NO的分解產物不同．在高壓下，NO在40℃下分解生成兩種化合物，體系中各組分物質的量隨時間變化曲線如圖4所示，寫出NO分解的化學方程式3NO $\frac{\underline{\;高壓\;}}{\;}$N₂O+NO₂．

Answer 1

分析 （1）利用蓋斯定律計算反應熱，得到平衡狀態時，正逆反應速率相等，各物質的濃度不變，由此衍生的一些物理量也不變，計算平衡時各物質的濃度，可K=$\frac{C（S{O}_{3}）C（NO）}{C（N{O}_{2}）C（S{O}_{2}）}$計算平衡常數；
（2）①實際生產條件控制在250℃、1.3×10⁴kPa左右，選擇此壓強的理由是工業生產要考慮速經濟效益，要考慮速度和效率，據此分析；
②甲槽為CO₂得電子發生還原反應生成CH₃OH，據此書寫反應式；
（3）①由圖3可知反應物為氧氣、一氧化氮和氨氣最終生成物為氮氣和水；
②根據氨氣失去的電子的物質的量等于NO和氧氣得到的電子總物質的量計算；
（4）NO在40℃下分解生成兩種化合物，根據元素守恒可知生成的為N的氧化物，由圖象可知3molNO生成兩種氮的氧化物各為1mol，根據原子守恒判斷產物書寫方程式．

解答 解：（1）2SO₂（g）+O₂（g）?2SO₃（g）△H=-196.6kJ•mol^-1①
2NO（g）+O₂（g）?2NO₂（g）△H=-113.0kJ•mol^-1 ②
將方程式$\frac{①-②}{2}$得：NO₂（g）+SO₂（g）?SO₃（g）+NO（g）△H=$\frac{-196.6KJ/mol-（-113.0KJ/mol）}{2}$=-41.8kJ/mol，
a．隨反應：NO₂（g）+SO₂（g）?SO₃（g）+NO（g）的進行，氣體的質量和體積都不變，所以ρ=$\frac{m}{V}$也不變，不能說明到達平衡狀態，故a錯誤；
b．混合氣體顏色保持不變，說明二氧化氮的濃度不變，說明到達平衡狀態，故b正確；
c．SO₂是反應物，NO是生成物，隨反應進行，SO₂和NO的體積比保持不變，說明到達平衡狀態，故c正確；
d．每生成1molSO₃的同時消耗1molNO₂都表示正反應速率，反應自始至終都按此比例進行，故d錯誤；
             NO₂（g）+SO₂（g）?SO₃（g）+NO（g）
起始物質的體積 a       2a        0       0
轉化物質的體積 x        x        x       x
平衡物質的體積 a-x     2a-x      x        x
平衡時NO₂與SO₂體積比為1：6，即（1a-x）：（2a-x）=1：5，故x=$\frac{3}{4}$a，故平衡常數K=$\frac{C（S{O}_{3}）C（NO）}{C（N{O}_{2}）C（S{O}_{2}）}$=$\frac{{x}^{2}}{（a-x）（2a-x）}$=$\frac{\frac{9}{16}}{\frac{1}{4}×\frac{5}{4}}$=1.8，
故答案為：-41.8；bc；1.8；
（2）①實際生產條件控制在250℃、1.3×10⁴kPa左右，在1.3×10⁴kPa下，CO的轉化率已經很高，如果增加壓強CO的轉化率提高不大，而生產成本增加，經濟效益低，
故答案為：此壓強下CO的轉化率已較高，再增大壓強轉化率提高不大且會增加生產成本；
②根據圖2，甲槽為CO₂得電子發生還原反應生成CH₃OH，反應式為CO₂+6e^-+6H⁺═CH₃OH+H₂O，
故答案為：CO₂+6e^-+6H⁺═CH₃OH+H₂O；
（3）①由圖3可知反應物為氧氣、一氧化氮和氨氣最終生成物為氮氣和水，所以NO最終轉化為N₂和H₂O，
故答案為：N₂；
②氧氣、一氧化氮和氨氣反應生成氮氣和水，反應中氨氣失去的電子的物質的量等于NO和氧氣得到的電子總物質的量，2molNH₃轉化為N₂失去6mol電子，0.5molO₂得到2mol電子，則NO轉化為N₂得到的電子為2mol，所以NO的物質的量為$\frac{6-2}{2}$=2mol，其體積為22.4L/mol×2mol=44.8L，
故答案為：44.8L；
（4）NO在40℃下分解生成兩種化合物，根據元素守恒可知生成的為N的氧化物，氮元素的氧化物有NO、N₂O、NO₂、N₂O₃、N₂O₄、N₂O₅，由圖象可知3molNO生成兩種氮的氧化物各為1mol，其反應方程式為：3NO=Y+Z，根據原子守恒可知為N₂O、NO₂，所以方程式為3NO $\frac{\underline{\;高壓\;}}{\;}$N₂O+NO₂，
故答案為：3NO $\frac{\underline{\;高壓\;}}{\;}$N₂O+NO₂．

點評 本題考查了蓋斯定律的應用、平衡狀態的判斷、平衡常數的計算、氧化還原反應化學方程式的書寫及其計算、圖象的分析與應用等，考查了學生的分析能力以及對基礎知識的綜合應用能力，題目難度中等．