Question

（15分）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＝ -574 kJ·mol^－1
②CH₄(g) +4NO(g)＝2N₂(g) + CO₂(g) + 2H₂O(g)   ⊿H＝-1160 kJ·mol^－1
③H₂O(g)＝H₂O(l)     △H＝-44.0 kJ·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                  。
（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                                 。
(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                        。
②根据表中数据，计算T₁℃时该反应的平衡常数为   　　   （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      （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    　　　   （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          。请在右图中画出30min至40min的变化曲线。

Answer 1

(1) CH₄(g)+2NO₂(g)＝N₂(g) + CO₂(g) +2H₂O(l)；⊿H＝ -955 kJ·mol^－1（2分）
(2) 2Fe³⁺ + SO₂+ 2H₂O＝2Fe²⁺+SO₄^2-+4H⁺  (2分)  (3) ① 0.009 mol·L^－1·min^－1（2分）
②K＝0.56（2分）    ③不变（2分）  ④C、D  （2分）   ⑤减小 CO₂的浓度  （1分）

作图要点：（2分）①起点在30min时V_逆­(CO ₂)的一半左右 ②终点不超过30min时V_逆­(CO ₂)

解析试题分析：（1）根据热化学方程式①CH₄(g)+4NO₂(g)＝4NO(g) + CO₂(g) +2H₂O(g)    ⊿H＝ -574 kJ·mol^－1、②CH₄(g) +4NO(g)＝2N₂(g) + CO₂(g) + 2H₂O(g)   ⊿H＝-1160 kJ·mol^－1、③H₂O(g)＝H₂O(l)     △H＝-44.0 kJ·mol^－1，依据盖斯定律可知（①＋②）×＋③×2即得到反应CH₄(g)+2NO₂(g)＝N₂(g) + CO₂(g) +2H₂O(l)，则该反应的反应热△H＝（－574 kJ·mol^－1－1160 kJ·mol^－1）×－44.0 kJ·mol^－1×2＝－955 kJ·mol^－1。
（2）根据方程式4Fe²⁺ + O₂+ 4H⁺ ＝4Fe³⁺ + 2H₂O可知，反应中有铁离子生成。而铁离子具有氧化性，能把SO₂氧化生成硫酸，因此另一个反应的离子方程式为2Fe³⁺ + SO₂+ 2H₂O＝2Fe²⁺+SO₄^2-+4H⁺。
（3）①根据表中数据可知，10min～20min内CO₂的浓度变化量＝0.30mol/L－0.21mol/L＝0.09mol/L，因此以v(CO₂)表示的反应速率v(CO₂)＝＝0.009 mol·L^－1·min^－1。
②根据表中数据可知，反应进行到20min时各物质的浓度不再发生变化，此时反应达到平衡状态，则根据平衡常数表达式K＝＝＝0.56。
③根据方程式可知，该反应前后体积不变，且反应物只有NO是气体。因此改变NO的起始浓度相当于改变压强，平衡不移动，所以NO的转化率不变。
④在一定条件下，当可逆反应的正反应速率和逆反应速率相等时（但不为0），反应体系中各种物质的浓度或含量不再发生变化的状态，称为化学平衡状态，据此可以判断。A、该反应前后体积不变，因此压强始终是不变的，所以容器内压强保持不变不能作为判断的依据，A不正确；B、根据方程式并依据反应速率之比是相应的化学计量数之比可知2v_正(NO)＝2×2v_正(N₂)＝v_逆(N₂)，所以氮气的正逆反应速率不相等，B不正确；C、容器内CO₂的体积分数不变说明正反应速率相等，达到平衡状态，C正确；D、密度度是混合气的质量和容器容积的比值，在反应过程中容积始终是不变的，但混合气的质量是变化的，因此当混合气体的密度保持不变时说明混合气的质量不再发生变化，可以说明反应达到平衡状态，D正确，答案选CD。
⑤根据表中数据可知，反应从30min～40min时NO的浓度减小，氮气的浓度增大，而CO₂的浓度减小，因此改变的条件应该是减小了CO₂的浓度；30min后降低了CO₂的浓度，平衡向正反应方向移动，但最终平衡时CO的浓度仍然比原平衡时小，所以此时的图像可表示为
。
考点：考查热化学方程式的书写、氧化还原反应的应用；反应速率和平衡常数计算、外界条件对平衡状态的影响、平衡状态的判断以及图像作图