Question

12．随着大气污染的日趋严重，国家拟于“十二五”期间，将二氧化硫（SO₂）排放量减少8%，氮氧化物（NOx）排放量减少10%．目前，消除大气污染有多种方法．
（1）用CH₄催化还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
写出CH₄（g）与NO₂（g）反应生成N₂ （g）、CO₂ （g）和H₂O（1）的热化学方程式CH₄（g）+2NO₂（g）═N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-955kJ•mol^-1．
（2）利用Fe²⁺、Fe³⁺的催化作用，常温下可将SO₂转化为SO₄^2-，从而实现对SO₂的治理．已知含SO₂的废气通入含Fe²⁺、Fe³⁺的溶液时，其中一个反应的离子方程式为4Fe²⁺+O₂+4H⁺═4Fe³⁺+2H₂O，则另一反应的离子方程式为2Fe³⁺+SO₂+2H₂O=2Fe²⁺+SO₄^2-+4H⁺．
（3）用活性炭还原法处理氮氧化物．有关反应为：C（s）+2NO（g）?N₂ （g）+CO₂ （g）．某研究小组向密闭的真空容器中（假设容器体积不变，固体试样体积忽略不计）加入NO和足量的活性炭，恒温（T₁℃）条件下反应，反应进行到不同时间测得各物质的浓度如下：

浓度/mol•L-1 时间/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） 表示的反应速率为0.009 mol•L^-1•min^-1．
②根据表中数据，计算T₁℃时该反应的平衡常数为0.56（保留两位小数）．
③一定温度下，随着NO的起始浓度增大，则NO的平衡转化率不变（填“增大”、“不变”或“减小”）．
④下列各项能作为判断该反应达到平衡的是CD（填序号字母）．
A．容器内压强保持不变　　      B． 2v_正（NO）=v_逆（N₂）
C．容器内CO₂的体积分数不变     D．混合气体的密度保持不变
⑤30min末改变某一条件，过一段时间反应重新达到平衡，则改变的条件可能是减小CO₂ 的浓度．请在图中画出30min至40min的变化曲线．

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
根据盖斯定律，（①+②+3×4）÷2可得：CH₄（g）+2NO₂（g）═N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）；
（2）SO₂转化为SO₄^2-该过程为氧气氧化二价铁离子到三价铁离子，然后用三价铁离子氧化二氧化硫到硫酸根离子；
（3）①根据v=$\frac{△c}{△t}$计算v（CO₂）
②20min处于平衡状态，根据K=$\frac{c（{N}_{2}）×c（C{O}_{2}）}{{c}^{2}（NO）}$计算平衡常数；
③一定温度下，随着NO的起始浓度增大，等效为增大压强，不影响平衡移动；
④可逆反应到达平衡时，同种物质的正逆速率相等，各组分的浓度、含量保持不变，由此衍生的其它一些量不变，判断平衡的物理量应随反应进行发生变化，该物理量由变化到不变化说明到达平衡；
⑤30min～40min之间，NO浓度减小0.08mol/L，N₂浓度增大0.04mol/L，CO₂浓度减小0.13mol/L，应是减小二氧化碳的浓度，瞬间减小二氧化碳的浓度为（0.3+0.04）mol/L-0.17mol/L=0.17mol/L，平衡时浓度为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
根据盖斯定律，（①+②+3×4）÷2可得：CH₄（g）+2NO₂（g）═N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-955kJ•mol^-1，
故答案为：CH₄（g）+2NO₂（g）═N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-955kJ•mol^-1；
（2）常温下将SO₂转化为SO₄^2-而实现SO₂的处理．含SO₂的废气通入含Fe²⁺、Fe³⁺的溶液时其中一个反应的离子方程式为：4Fe²⁺+O₂+4H⁺═4Fe³⁺+2H₂O，则另一反应的离子方程式为三价铁离子氧化二氧化硫到硫酸根离子，反应的离子方程式为：2Fe³⁺+SO₂+2H₂0=2Fe²⁺+SO₄^2-+4H⁺，
故答案为：2Fe³⁺+SO₂+2H₂O=2Fe²⁺+SO₄^2-+4H⁺；
（3）①10min～20min以v（CO₂） 表示的反应速率=$\frac{0.3mol/L-0.21mol/L}{20min-10min}$=0.009 mol•L^-1•min^-1，故答案为：0.009 mol•L^-1•min^-1；
②20min处于平衡状态，平衡常数K=$\frac{c（{N}_{2}）×c（C{O}_{2}）}{{c}^{2}（NO）}$=$\frac{0.3×0.3}{0．{4}^{2}}$=0.56，
故答案为：0.56；
③一定温度下，随着NO的起始浓度增大，等效为增大压强，不影响平衡移动，则NO的平衡转化率不变，
故答案为：不变；
④A．反应是气体体积不变的反应，反应过程中容器内压强数值保持不变，故A错误；
B．当v_正（NO）=2v_逆（N₂）反应达到平衡，故B错误；
C．容器内CO₂的体积分数不变，说明反应达到平衡，故C正确；
D．混合气体密度等于质量除以体积，反应中碳是固体，平衡移动气体质量变化，体积不变，随反应进行混合气体密度增大，混合气体的密度保持不变说明反应达到平衡，故D正确；
故选：CD；
⑤30min～40min之间，NO浓度减小0.08mol/L，N₂浓度增大0.04mol/L，CO₂浓度减小0.13mol/L，应是减小二氧化碳的浓度，瞬间减小二氧化碳的浓度为（0.3+0.04）mol/L-0.17mol/L=0.17mol/L，该瞬间二氧化碳浓度为0.13mol/L，平衡时浓度为0.17mol/L，则30min至40minCO₂浓度的变化曲线图象为，，故答案为：减小CO₂ 的浓度；．

点评 本题考查化学平衡计算与影响因素、平衡状态判断、平衡常数、反应速率、热化学方程式书写等，（3）中作图为易错点，注意二氧化碳的瞬间浓度与平衡浓度．