Question

14．雾霾由多种污染物形成，其中包含颗粒物（包括PM2.5在内）、氮氧化物（NOx）、CO、SO₂等．化学在解决雾霾污染中有着重要的作用．
（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
则反应NO₂（g）+SO₂（g）═SO₃（g）+NO（g）△H=-41.8kJ•mol^-1．
一定条件下，将NO₂与SO₂以体积比1：2置于恒温恒容的密闭容器中发生上述反应，下列能说明反应达到平衡状态的有b．
a．体系密度保持不变
b．混合气体颜色保持不变
c．SO₃和NO的体积比保持不变
d．每消耗1mol SO₃的同时生成1mol NO₂
测得上述反应平衡时NO₂与SO₂体积比为1：5，则平衡常数K=1.8．
（2）CO可用于合成甲醇，反应方程式为CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g）．CO在不同温度下的平衡转化率与压强的关系如图所示．实际生产条件控制在250℃、1.3×10⁴kPa左右，选择此压强的理由是在1.3×10⁴kPa下，CO的转化率已经很高，如果增加压强CO的转化率提高不大，而生产成本增加，经济效益低．
（3）如图是一种用NH₃脱除烟气中NO的原理．

①该脱硝原理中，NO最终转化为H₂O和N₂（填化学式）．
②当消耗1mol NH₃和0.5molO₂时，除去的NO在标准状况下的体积为11.2 L．
（4）NO直接催化分解（生成N₂和O₂）也是一种脱硝途径．在不同条件下，NO的分解产物不同．在高压下，NO在40℃下分解生成两种化合物，体系中各组分物质的量随时间变化曲线如右图所示，写出NO分解的化学方程式3NO$\stackrel{高压}{?}$N₂O+NO₂．

Answer 1

分析 （1）利用盖斯定律计算反应热，得到平衡状态时，正逆反应速率相等，各物质的浓度不变，由此衍生的一些物理量也不变，计算平衡时各物质的浓度，可K=$\frac{C（SO{\;}_{3}）C（NO）}{c（NO{\;}_{2}）C（SO{\;}_{2}）}$计算平衡常数；
（2）实际生产条件控制在250℃、1.3×10⁴kPa左右，选择此压强的理由是工业生产要考虑速经济效益，要考虑速度和效率，据此分析；
（3）①由图3可知反应物为氧气、一氧化氮和氨气最终生成物为氮气和水；
②根据氨气失去的电子的物质的量等于NO和氧气得到的电子总物质的量计算；
（4）NO在40℃下分解生成两种化合物，根据元素守恒可知生成的为N的氧化物，由图象可知3molNO生成两种氮的氧化物各为1mol，根据原子守恒判断产物书写方程式．

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
将方程式$\frac{①-②}{2}$得：NO₂（g）+SO₂（g）?SO₃（g）+NO（g）△H=$\frac{-196.6kJ•mol{\;}^{-1}-（-113.0kJ•mol{\;}^{-1}）}{2}$=-41.8kJ/mol，
a．随反应：NO₂（g）+SO₂（g）?SO₃（g）+NO（g）的进行，气体的质量和体积都不变，所以ρ=$\frac{m}{V}$也不变，不能说明到达平衡状态，故a错误；
b．混合气体颜色保持不变，说明二氧化氮的浓度不变，说明到达平衡状态，故b正确；
c．随反应进行，SO₃和NO都是生成物，所以体积比一直等于系数比，所以SO₃和NO的体积比保持不变，不能说明到达平衡状态，故c错误；
d．每生成1molSO₃的同时消耗1molNO₂都表示正反应速率，反应自始至终都按此比例进行，故d错误；
             NO₂（g）+SO₂（g）?SO₃（g）+NO（g）
起始物质的体积 a      2a       0       0
转化物质的体积 x      x        x        x
平衡物质的体积 a-x   2a-x      x        x
平衡时NO₂与SO₂体积比为1：6，即（1a-x）：（2a-x）=1：5，故x=$\frac{3}{4}$a，故平衡常数K=$\frac{C（SO{\;}_{3}）C（NO）}{c（NO{\;}_{2}）C（SO{\;}_{2}）}$=$\frac{x{\;}^{2}}{（a-x）（2a-x）}$=$\frac{\frac{9}{16}}{\frac{1}{4}×\frac{5}{4}}$=1.8，
故答案为：-41.8；b；1.8；
（2）实际生产条件控制在250℃、1.3×10⁴kPa左右，选择此压强的理由是工业生产要考虑速经济效益，要考虑速度和效率，压强越大需要的条件越高，花费越大．
故答案为：在1.3×10⁴kPa下，CO的转化率已经很高，如果增加压强CO的转化率提高不大，而生产成本增加，经济效益低；
（3）①由图3可知反应物为氧气、一氧化氮和氨气最终生成物为氮气和水，所以NO最终转化为N₂和H₂O，故答案为：N₂；
②氧气、一氧化氮和氨气反应生成氮气和水，反应中氨气失去的电子的物质的量等于NO和氧气得到的电子总物质的量，1molNH₃转化为N₂失去3mol电子，0.5molO₂得到2mol电子，则NO转化为N₂得到的电子为1mol，所以NO的物质的量为0.5mol，其体积为22.4L/mol×0.5mol=11.2L，故答案为：11.2；
（4）NO在40℃下分解生成两种化合物，根据元素守恒可知生成的为N的氧化物，氮元素的氧化物有NO、N₂O、NO₂、N₂O₃、N₂O₄、N₂O₅，由图象可知3molNO生成两种氮的氧化物各为1mol，其反应方程式为：3NO=Y+Z，根据原子守恒可知为N₂O、NO₂，所以方程式为3NO$\stackrel{高压}{?}$ N₂O+NO₂，故答案为：3NO$\stackrel{高压}{?}$ N₂O+NO₂．

点评 本题考查了盖斯定律的应用、平衡状态的判断、平衡常数的计算、氧化还原反应化学方程式的书写及其计算、图象的分析与应用等，考查了学生的分析能力以及对基础知识的综合应用能力，题目难度中等．