Question

12．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CH₄（g）+2NO₂（g）═N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-955kJ•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，則另一反應的離子方程式為2Fe³⁺+SO₂+2H₂O=2Fe²⁺+SO₄^2-+4H⁺．
（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0.009 mol•L^-1•min^-1．
②根據表中數據，計算T₁℃時該反應的平衡常數為0.56（保留兩位小數）．
③一定溫度下，隨著NO的起始濃度增大，則NO的平衡轉化率不變（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CD（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減小CO₂ 的濃度．請在圖中畫出30min至40min的變化曲線．

Answer 1

分析 （1）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
根據蓋斯定律，（①+②+3×4）÷2可得：CH₄（g）+2NO₂（g）═N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）；
（2）SO₂轉化為SO₄^2-該過程為氧氣氧化二價鐵離子到三價鐵離子，然后用三價鐵離子氧化二氧化硫到硫酸根離子；
（3）①根據v=$\frac{△c}{△t}$計算v（CO₂）
②20min處于平衡狀態，根據K=$\frac{c（{N}_{2}）×c（C{O}_{2}）}{{c}^{2}（NO）}$計算平衡常數；
③一定溫度下，隨著NO的起始濃度增大，等效為增大壓強，不影響平衡移動；
④可逆反應到達平衡時，同種物質的正逆速率相等，各組分的濃度、含量保持不變，由此衍生的其它一些量不變，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；
⑤30min～40min之間，NO濃度減小0.08mol/L，N₂濃度增大0.04mol/L，CO₂濃度減小0.13mol/L，應是減小二氧化碳的濃度，瞬間減小二氧化碳的濃度為（0.3+0.04）mol/L-0.17mol/L=0.17mol/L，平衡時濃度為0.17mol/L．

解答 解：（1）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
根據蓋斯定律，（①+②+3×4）÷2可得：CH₄（g）+2NO₂（g）═N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-955kJ•mol^-1，
故答案為：CH₄（g）+2NO₂（g）═N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-955kJ•mol^-1；
（2）常溫下將SO₂轉化為SO₄^2-而實現SO₂的處理．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三價鐵離子氧化二氧化硫到硫酸根離子，反應的離子方程式為：2Fe³⁺+SO₂+2H₂0=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=$\frac{0.3mol/L-0.21mol/L}{20min-10min}$=0.009 mol•L^-1•min^-1，故答案為：0.009 mol•L^-1•min^-1；
②20min處于平衡狀態，平衡常數K=$\frac{c（{N}_{2}）×c（C{O}_{2}）}{{c}^{2}（NO）}$=$\frac{0.3×0.3}{0．{4}^{2}}$=0.56，
故答案為：0.56；
③一定溫度下，隨著NO的起始濃度增大，等效為增大壓強，不影響平衡移動，則NO的平衡轉化率不變，
故答案為：不變；
④A．反應是氣體體積不變的反應，反應過程中容器內壓強數值保持不變，故A錯誤；
B．當v_正（NO）=2v_逆（N₂）反應達到平衡，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，隨反應進行混合氣體密度增大，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～40min之間，NO濃度減小0.08mol/L，N₂濃度增大0.04mol/L，CO₂濃度減小0.13mol/L，應是減小二氧化碳的濃度，瞬間減小二氧化碳的濃度為（0.3+0.04）mol/L-0.17mol/L=0.17mol/L，該瞬間二氧化碳濃度為0.13mol/L，平衡時濃度為0.17mol/L，則30min至40minCO₂濃度的變化曲線圖象為，，故答案為：減小CO₂ 的濃度；．

點評 本題考查化學平衡計算與影響因素、平衡狀態判斷、平衡常數、反應速率、熱化學方程式書寫等，（3）中作圖為易錯點，注意二氧化碳的瞬間濃度與平衡濃度．