Question

火力發電廠釋放出大量的氮氧化物（NO_x）、二氧化硫和二氧化碳等氣體會造成環境污染．對燃煤廢氣進行脫硝、脫硫和脫碳等處理，可實現綠色環保、節能減排、廢物利用等目的．
（1）脫硝．利用甲烷催化還原NO_x：
CH₄（g）+4NO₂（g）=4NO（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₁=-574kJ?mol^-1
CH₄（g）+4NO（g）=2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₂=-1160kJ?mol^-1
甲烷直接將NO₂還原為N₂的熱化學方程式為

 

．
（2）脫碳．將CO₂轉化為甲醇的熱化學方程式為：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H₃
①取五份等體積的CO₂和H₂的混合氣體（物質的量之比均為1：3），分別加入溫度不同、容積相同的恒容密閉容器中，發生上述反應，反應相同時間后，測得甲醇的體積分數φ（CH₃OH） 與反應溫度T的關系曲線如圖甲所示，則上述CO₂轉化為甲醇的反應的△H₃

 

0（填“＞”、“＜”或“=”）．
②在一恒溫恒容密閉容器中充入1mol CO₂和3mol H₂，進行上述反應．測得CO₂和CH₃OH（g）的濃度隨時間變化如圖乙所示．試回答：0～10min內，氫氣的平均反應速率為

 

mol/（L?min）；該溫度下，反應的平衡常數的值為

 

；第10min后，向該容器中再充入1mol CO₂和3mol H₂，則再次達到平衡時CH₃OH（g）的體積分數

 

（填變大、減少、不變）．

Answer 1

考點：熱化學方程式,化學平衡的影響因素,物質的量或濃度隨時間的變化曲線

專題：化學反應中的能量變化,化學平衡專題

分析：（1）根據蓋斯定律，利用已知化學反應方程式乘以某個系數相加或相減，構造出目標化學反應方程式，該化學反應的焓變即為已知化學反應方程式的焓變乘以某個系數相加或相減得到．
（2）①先根據圖表，利用v=

△c

△t

計算v（CO₂），再利用各物質的反應速率之比等于計量數之比，確定v（H₂）；
該溫度下該反應的K=

c(CH3OH)c(H2O)

c(CO2)c3(H2)

；利用三段式計算平衡時各組分的平衡濃度，代入平衡常數表達式計算平衡常數；
第10min后，向該容器中再充入1mol CO₂和3mol H₂，等效為增大壓強，平衡向正反應移動，CH₃OH（g）的體積分數增大；
②到達平衡后，溫度越高，φ（CH₃OH）越小，平衡向逆反應進行；
（3）配制100ml一定物質的量濃度的硫酸銨溶液所需玻璃儀器有：燒杯、玻璃棒、100mL容量瓶、膠頭滴管．

解答： 解：（1）因蓋斯定律，不管化學反應是一步完成還是分幾步完成，其反應熱是相同的．
CH₄（g）+4NO₂（g）=4NO（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₁=-574kJ?mol^-1
CH₄（g）+4NO（g）=2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₂=-1160kJ?mol^-1
兩式相加可得
2CH₄（g）+4NO₂（g）=2N₂（g）+2CO₂（g）+4H₂O（g）△H=-1734 kJ/mol  
故答案為：2CH₄（g）+4NO₂（g）=2N₂（g）+2CO₂（g）+4H₂O（g）△H=-1734 kJ/mol       
（2）①由圖可知最高點反應到達平衡，達平衡后，溫度越高，φ（CH₃OH）越小，平衡向逆反應進行，升高溫度平衡吸熱方向進行，逆反應為吸熱反應，則正反應為放熱反應，即△H₃＜0．
故答案為：＜
②由圖可知，10min時，反應已經達平衡，△c（CO₂）=1.00mol/L-0.25mol/L=0.75mol/L，所以10min內，v（CO₂）=

0.75mol/L

10min

=0.075mol/（L?min），反應速率之比等于計量數之比，故v（H₂）=3v（CO₂）=3×0.075mol/（L?min）=0.225mol/（L?min）；
開始CO₂的濃度為1mol/L，故容器的體積為

1mol

1mol/L

=1L，H₂的起始濃度為

3mol

1L

=3mol/L，則：
              CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）
開始（mol/L）：1        3         0         0
變化（mol/L）：0.75     2.25      0.75      0.75
平衡（mol/L）：0.25     0.75      0.75      0.75
故該溫度下平衡常數k=

0.75×0.75

0.25×0.753

=5.33；
第10min后，向該容器中再充入1mol CO₂和3mol H₂，等效為增大壓強，平衡向正反應移動，CH₃OH（g）的體積分數增大，
故答案為：0.225mol/（L?min）；5.33；變大；

點評：本題以燃煤廢氣進行脫碳和脫硫等處理為載體，考查化學平衡有關圖象、反應速率計算、平衡常數計算、影響化學平衡的因素等，難度中等，培養了學生分析問題解決問題的能力．