Question

9．燃煤废气中的氮氧化物（NO_x）、二氧化碳等气体，常用下列方法处理，以实现节能减排、废物利用等．
（1）对燃煤废气进行脱硝处理时，常利用甲烷催化还原氮氧化物：
①CH₄ （g）+4NO₂（g）═4NO（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-570kJ•mol^-1
②CH₄（g）+4NO（g）═2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-1160kJ•mol^-1
则CH₄ （g）+2NO₂（g）═N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-865 kJ•mol^-1．
（2）将燃煤废气中的CO₂转化为甲醚的反应原理为：2CO₂（g）+6H₂（g）$\stackrel{催化剂}{?}$CH₃OCH₃（g）+3H₂O（g）
已知在压强为a MPa下，该反应在不同温度、不同投料比时，CO₂的转化率见如图：
①此反应为放热（填“放热”、“吸热”）；若温度不变，提高投料比[$\frac{n（{H}_{2}）}{n（C{O}_{2}）}$]，则K将不变（填“增大”、“减小”或“不变”）．
②在a MPa和一定温度下，将6mol H₂和2mol CO₂在2L密闭容器中混合，当该反应达到平衡时，测得平衡混合气中CH₃OCH₃的体积分数约为16.7%（即$\frac{1}{6}$），此时CO₂的转化率为80%
（3）将不同量的CO（g）和H₂O（g）分别通入到体积为2L的恒容密闭容器中，进行反应
CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g），得到如下三组数据：

实 验 组	温 度 /℃	起始量/mol		平衡量/mol		达到平衡所需时间/min
		H2O	CO	H2	CO
1	650	2	4	1.6	2.4	5
2	900	1	2	0.4	1.6	3
3	900	a	b	c	d	t

①650℃时该反应的化学平衡常数数值为$\frac{8}{3}$，该反应的逆反应为放（填“吸”或“放”）热反应
②若实验3要达到与实验2相同的平衡状态（即各物质的质量分数分别相等），且t＜3min，则a、b应满足的关系是b=2a，a＞1（用含a、b的数学式表示）．

Answer 1

分析 （1）根据盖斯定律两式相加，可得2CH₄（g）+4NO₂（g）=2N₂（g）+2CO₂（g）+4H₂O（g）△H=-1730 kJ/mol，所以CH₄（g）+NO₂（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-865 kJ/mol；
（2）①根据温度和二氧化碳的转化率以及平衡移动之间的关系来回答；平衡常数和温度有关，和物质的浓度之间没有联系；
②根据平衡状态的判断知识以及三行式来计算物质的转化率；
（3）①根据平衡常数表达式K=$\frac{c（CO{\;}_{2}）×c（H{\;}_{2}）}{c（CO）×c（H{\;}_{2}O）}$计算650℃、900℃的平衡常数，判断升高温度平衡的移动方向，根据温度对平衡移动影响判断；
②使实验3达到平衡状态时各物质的体积分数与实验2分别相等，为等效平衡，该反应为反应前后气体的体积不发生变化，满足n（H₂O）：n（CO）=1：2即可，又t＜3min，所以反应速率实验3比实验2快，所以a＞1．

解答 解：（1）因盖斯定律，不管化学反应是一步完成还是分几步完成，其反应热是相同的．两式相加，可得2CH₄（g）+4NO₂（g）=2N₂（g）+2CO₂（g）+4H₂O（g）△H=-1730 kJ/mol，所以CH₄（g）+NO₂（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-865 kJ/mol，
故答案为：-865 kJ•mol^-1；
（2）①根据图示知道，温度越高，二氧化碳的转化率越小，平衡逆向移动，所以反应是放热的，平衡常数和温度有关，温度不变，K不会改变，
故答案为：放热；不变；
②设：CO₂的转化率是x，则
  2CO₂（g）+6H₂（g）$\stackrel{催化剂}{?}$CH₃OCH₃（g）+3H₂O（g）
初始浓度：1 3 0 0
变化浓度：x 3x 0.5x 1.5x
平衡浓度：1-x 3-3x 0.5x 1.5x
$\frac{0.5x}{1-x+3-3x+0.5x+1.5x}$=$\frac{1}{6}$，解得x=0.8，所以CO₂的转化率是$\frac{0.8}{1}$×100%=80%．
故答案为：80%；
（3）①650℃CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）
开始（mol）：4  2  0 0
转化（mol）：1.6 1.6 1.6 1.6
平衡（mol）：2.4 0.4 1.6 1.6
反应前后气体的化学计量数不变，用物质的量代替浓度计算平衡常数，故650℃平衡常数表达式K=$\frac{c（CO{\;}_{2}）×c（H{\;}_{2}）}{c（CO）×c（H{\;}_{2}O）}$=$\frac{1.6×1.6}{2.4×0.4}$=$\frac{8}{3}$；
900℃CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）
开始（mol）：2 1 0 0
转化（mol）：0.4 0.4 0.4 0.4
平衡（mol）：1.6 0.6 0.4 0.4
反应前后气体的化学计量数不变，用物质的量代替浓度计算平衡常数，故900℃平衡常数表达式K=$\frac{c（CO{\;}_{2}）×c（H{\;}_{2}）}{c（CO）×c（H{\;}_{2}O）}$=$\frac{0.4×0.4}{1.6×0.6}$=$\frac{1}{6}$；
升高温度平衡常数减小，即升高温度平衡向逆反应移动，升高温度向吸热反应移动，故正反应为放热反应，
故答案为：$\frac{8}{3}$；放；
②使实验3达到平衡状态时各物质的体积分数与实验2分别相等，为等效平衡，该反应为反应前后气体的体积不发生变化，满足n（H₂O）：n（CO）=1：2即可，即b=2a，又t＜3min，所以反应速率实验3比实验2快，所以a＞1，故答案为：b=2a，a＞1．

点评 本题考查了盖斯定律的应用、影响平衡移动及平衡常数的因素、化学平衡的有关计算，侧重于反应原理的应用的考查，题目难度中等．