Question

4．为治理环境，减少雾霾，应采取措施减少二氧化硫、氮氧化物（NO_x）和CO₂的排放量．
Ⅰ处理NO_x的一种方法是利用甲烷催化还原NO_x．
①CH₄（g）+4NO₂（g）═4NO（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₁=-574kJ/mol
②CH₄（g）+2NO₂（g）═N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₂=-867kJ/mol
（1）若用4.48LCH₄还原NO生成N₂，则放出的热量为232kJ．（气体体积已折算为标准状况下）
（2）NOx可用强碱溶液吸收产生硝酸盐．在酸性条件下，FeSO₄溶液能将NO₃^-还原为NO，NO能与多余的FeSO₄溶液作用生成棕色物质，这是检验NO₃^-的特征反应，写出该过程中产生NO的离子方程式：3Fe²⁺+NO₃^-+4H⁺=3Fe³⁺+NO↑+2H₂O．
电解的原理如图1所示
（3）电解时阴极的电极反应式为2NO₃^-+12H⁺+10e^-=N₂↑+6H₂O；当电路中转移20mol电子时，交换膜左侧溶液质量减少180g．
Ⅲ利用I₂O₅消除CO污染的反应为：5CO（g）+I₂O₅（s）═5CO₂（g）+I₂（s）．不同温度下，向装有足量I₂O₅固体的2L恒容密闭容器中通入4molCO，测得CO₂的体积分数（φ）随时间（t）变化曲线如图2．
回答：
（4）T₁时，该反应的化学平衡常数的数值为1024．
（5）下列说法不正确的是BD（填字母）．
A．容器内气体密度不变，表明反应达到平衡状态
B．两种温度下，c点时体系中混合气体的压强相等
C．d点时，在原容器中充入一定量氦气，CO的转化率不变
D．b点和d点时化学平衡常数的大小关系：K_b＜K_d
Ⅳ．以二氧化钛表面覆盖Cu₂Al₂O₄为催化剂，可以将CO₂和CH₄通过反应CO₂（g）+CH₄（g）═CH₃COOH（g）△H＜0直接转化成乙酸．在不同温度下催化剂的催化效率与乙酸的生成速率如图3所示．
（6）①250-300℃时，乙酸的生成速率减小的主要原因是250℃～300℃时，催化剂的催化效率降低．
②工业生产中该反应的温度常选择250℃、不选择400℃，从综合经济效益考虑，其原因是250℃时，催化剂的催化效果最好，提高温度耗费较高的能量，并且低温条件有利于平衡向着正反应方向移动．

Answer 1

分析 （1）①CH₄（g）+4NO₂（g）=4NO（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₁=-574kJ•mol^-1
②CH₄（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₂=-867kJ•mol^-1
由盖斯定律②×2-①得到CH₄（g）+4NO（g）═2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g），根据盖斯定律计算得到反应的焓变，热化学方程式的意义：1molCH₄还原NO生成N₂，则放出的热量值等于焓变值；
（2）酸性条件下，亚铁离子和硝酸根离子反应生成铁离子、一氧化氮和水；
（3）根据图象知，硝酸根离子得电子发生氧化反应，则Ag-Pt作阴极，Pt电极为阳极，在电解池的阴极上发生得电子的还原反应，根据电极反应式结合电子守恒来计算；
（4）根据b点时CO₂的体积分数φ（CO₂）求出CO和CO₂的平衡浓度进而求出T₁时化学平衡常数K；
（5）A、因为条件为恒容，而反应前后气体质量变化，所以容器内气体密度是变量，当不变时表明反应达到平衡状态；
B．c点为交点，各气体物质的量分别相等；
C．反应前后气体体积不变，压强变化对平衡无影响；
D．b点比d点时生成物CO₂体积分数大，说明进行的程度大，则化学平衡常数：K_b＞K_d．
（6）①根据温度对催化剂活性的影响分析；
②根据温度对化学平衡移动的影响分析．

解答 解：（1）①CH₄（g）+4NO₂（g）=4NO（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₁=-574kJ•mol^-1
②CH₄（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₂=-867kJ•mol^-1
由盖斯定律②×2-①得到CH₄（g）+4NO（g）═2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g），所以焓变△H=（-867kJ•mol^-1）×2-（-574kJ•mol^-1）=-1160kJ•mol^-1，若用4.48L即0.2molCH₄还原NO生成N₂，则放出的热量为1160kJ/mol×0.2mol=232kJ，
故答案为：232；
（2）酸性条件下，亚铁离子和硝酸根离子反应生成铁离子、一氧化氮和水，离子反应方程式为3Fe²⁺+NO₃^-+4H⁺=3Fe³⁺+NO↑+2H₂O，
故答案为：3Fe²⁺+NO₃^-+4H⁺=3Fe³⁺+NO↑+2H₂O；
（3）根据图象知，硝酸根离子得电子发生氧化反应，则Ag-Pt作阴极，阴极上电极反应式为2NO₃^-+12H⁺+10e^-=N₂↑+6H₂O，Pt电极为阳极，阳极反应为2H₂O-4e^-=O₂+4H⁺，当转移20mol电子时，阳极消耗10mol水，产生20molH⁺进入阴极室，阳极质量减少180g，
故答案为：2NO₃^-+12H⁺+10e^-=N₂↑+6H₂O；180；
（4）T₁时：5CO（g）+I₂O₅（s）?5CO₂（g）+I₂（s）
起始量/mol    4                 0
转化量/mol    y                 y
b点量/mol    4-y                y
根据b点时CO₂的体积分数φ（CO₂）=$\frac{y}{4}$=0.80，得y=3.2mol，c（CO）=0.4mol•L^-1，c（CO₂）=1.6mol•L^-1，
T₁时化学平衡常数K=$\frac{c{\;}^{5}（CO{\;}_{2}）}{c{\;}^{5}（CO）}$=$\frac{1.6{\;}^{5}}{0．{4}^{5}}$=1024，
故答案为：1024；
（5）A．因为条件为恒容，而反应前后气体质量变化，所以容器内气体密度不变时，表明反应达到平衡状态，故A正确；
B．c点为交点，气体物质的量分别相等，所以两种温度下，体系中混合气体的压强不等，故B错误；
C．反应前后气体体积不变，压强变化对平衡无影响，CO的转化率不变，故C正确；
d．b点比d点时生成物CO₂体积分数大，说明进行的程度大，则化学平衡常数：K_b＞K_d，故D错误；
故答案为：BD；
（6）①温度超过250℃时，催化剂的催化效率降低，所以温度升高而乙酸的生成速率降低，
故答案：温度超过250℃时，催化剂的催化效率降低；
②业生产中该反应的温度常选择250℃、不选择400℃，从综合经济效益考虑，是因为250℃时，催化剂的催化效果最好，提高温度耗费较高的能量，并且低温条件有利于平衡向着正反应方向移动，
故答案为：250℃时，催化剂的催化效果最好，提高温度耗费较高的能量，并且低温条件有利于平衡向着正反应方向移动．

点评 本题考查热化学反应方程式计算、化学平衡常数的相关计算、化学平衡移动原理，综合性很强，难度较大．