Question

1．近年来“雾霾”污染日益严重，原因之一是机动车尾气中含有NO、NO₂、CO等气体，火力发电厂释放出大量的NO_x、SO₂和CO₂等气体也是其原因，现在对其中的一些气体进行了一定的研究：
（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
②CH₄（g）+4NO（g）=2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-1160kJ/mol
③H₂O（g）=H₂O（l）△H=-44.0kJ/mol
写出 CH₄（g）与 NO₂（g）反应生成 N₂（g）、CO₂（g）和 H₂O（l）的热化学方程式：CH₄（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-955kJ/mol．
（2）汽车尾气中含有CO、NO₂等有毒气体，对汽车加装尾气净化装置，可使有毒气体转化为无毒气体．4CO（g）+2NO₂（g）?4CO₂（g）+N₂（g）△H=-1200kJ•mol^-1
对于该反应，温度不同（T₂＞T₁）、其他条件相同时，下列图象正确的是乙（填代号）．

（3）用活性炭还原法也可以处理氮氧化物，某研究小组向某密闭容器加入一定量的活性炭和NO，发生反应C（s）+2NO（g）?N₂（g）+CO₂（g）△H=a kJ/mol
在T₁℃时，反应进行到不同时间测得各物质的量浓度如表：

时间/min 浓度/（mol/L）	0	10	20	30	40	50
NO	1.0	0.58	0.40	0.40	0.48	0.48
N2	0	0.21	0.30	0.30	0.36	0.36
CO2	0	0.21	0.30	0.3 0	0.36	0.36

①根据图表数据分析T₁℃时，该反应在0-20min的平均反应速率v（NO）=0.030mol•L^-1•min^-1；计算该反应的平衡常数K=0.56．
②30min后，只改变某一条件，根据表的数据判断改变的条件可能是CD（填字母代号）．
A．通入一定量的CO₂          B．加入合适的催化剂
C．适当缩小容器的体积        D．通入一定量的NO
E．加入一定量的活性炭
③若30min后升高温度至T₂℃，达到平衡时，容器中NO、N₂、CO₂的浓度之比为2：1：1，则达到新平衡时NO的转化率降低（填“升高”或“降低”），a＜0（填“＞”或“＜”）．
（4）温度T₁和T₂时，分别将0.50mol CH₄和1.2mol NO₂充入1L的密闭容器中发生反应：CH₄（g）+2NO₂（g）?N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=bkJ/mol．测得有关数据如表：

温度	时间/min 物质的量	0	10	20	40	50
T1	n（CH4）/mol	0.50	0.35	0.25	0.10	0.10
T2	n（CH4）/mol	0.50	0.30	0.18	x	0.15

下列说法正确的是CD
A．T₁＞T₂，且b＞0
B．当温度为T₂、反应进行到40min时，x＞0.15
C．温度为T₂时，若向平衡后的容器中再充入0.50mol CH₄和1.2mol NO₂，重新达到平衡时，n（N₂）＜0.70mol
D．温度为T₁时，若起始时向容器中充入0.50mol CH₄（g）、0.50molNO₂（g）、1.0mol N₂（g）、2.0molCO₂（g）、0.50molH₂O（g），反应开始时，ν（正）＞ν（逆）

Answer 1

分析 （1）已知：①CH₄（g）+4NO₂（g）=4NO（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-574kJ/mol
②CH₄（g）+4NO（g）=2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-1160kJ/mol
③H₂O（g）=H₂O（l）△H=-44.0kJ/mol
由盖斯定律[①+②-③×4]×$\frac{1}{2}$可得CH₄（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（l）；
（2）该反应中焓变小于0，为放热反应，升高温度，正逆反应速率都增大，且反应向着逆向进行，二氧化氮转化率减小、一氧化碳的体积含量减小，据此对各图象进行判断；
（3）①根据v=$\frac{△c}{△t}$计算反应速率，K=$\frac{c（{N}_{2}）•c（C{O}_{2}）}{{c}^{2}（NO）}$计算化学平衡常数K；
②依据图表数据分析，结合平衡浓度计算平衡常数和浓度变化分析判断，30min后，只改变某一条件，反应重新达到平衡，C（s）+2NO（g）?N₂（g）+CO₂（g），依据图表数据分析，平衡状态物质浓度增大，依据平衡常数计算，平衡常数随温度变化，平衡常数不变说明改变的条件一定不是温度；依据数据分析，氮气浓度增大，二氧化碳和一氧化氮浓度增大，反应前后气体体积不变，所以可能是减小溶液体积后加入一定量一氧化氮；
③若30min后升高温度至T₂℃，达到平衡时，容器中NO、N₂、CO₂的浓度之比从为2：1：1，氮气和二氧化碳难度之比始终为1：1，所以2：1＞4：3，说明平衡向逆反应方向移动；
（4）A、温度升高，反应速率加快，甲烷剩余量增多，说明反应向左进行，正反应放热；
B、温度升高，反应速率加快，当温度为T₁、反应进行到40 min时已达平衡状态，温度为T₂时反应也应该达到平衡状态；
C、温度为T₂时，若向平衡后的容器中再充入0.50 mol CH₄和1.2mol NO₂，可等效为在另一个相同的容器中建立一个和原平衡相同的平衡状态，再压缩到一个容器中，即为增大压强，平衡逆向移动；
D、根据温度为T₁时平衡常数不变，根据浓度商与平衡常数的大小判断平衡移动方向，利用化学平衡三段式计算．

解答 解：（1）已知：①CH₄（g）+4NO₂（g）=4NO（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-574kJ/mol
②CH₄（g）+4NO（g）=2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-1160kJ/mol
③H₂O（g）=H₂O（l）△H=-44.0kJ/mol
由盖斯定律[①+②-③×4]×$\frac{1}{2}$可得CH₄（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-955 kJ/mol；
故答案为：CH₄（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-955 kJ/mol；
（2）该反应为放热反应，升高温度，正逆反应速率均增大，都应该离开原来的速率点，图象与实际情况不相符，故甲错误；
升高温度，反应向着逆向进行，反应物的转化率减小，反应速率加快，图象与实际反应一致，故乙正确；
压强相同时，升高温度，反应向着逆向移动，一氧化氮的体积分数应该增大，图象与实际不相符，故丙错误；
故答案为：乙；
（3）①T₁℃时，该反应在0-20min的平均反应速率v（NO）=$\frac{1mol/L-0.4mol/L}{20min}$=0.030mol•L^-1•min^-1；
C（s）+2NO（g）?N₂（g）+CO₂（g），平衡浓度c（N₂）=0.3mol/L；c（CO₂）=0.3mol/L；c（NO）=0.4mol/L；反应的平衡常数K=$\frac{0.3×0.3}{0．{4}^{2}}$=0.56；
故答案为：0.030mol•L^-1•min^-1；0.56；
②A．通入一定量的CO₂，平衡逆向移动，NO的浓度增大，但是氮气的浓度会减少，与题不符，故A错误；
B．催化剂只改变化学反应速率，不改变化学平衡，故B错误；
C．适当缩小容器的体积，反应前后体积不变，平衡状态物质浓度增大，故C正确；
D．通入一定量的NO，新平衡状态下物质平衡浓度增大，故D正确；
E．加入一定量的活性炭，碳是固体对平衡无影响，平衡不动，故E错误；
故答案为：CD；
③30min后升高温度至T₂℃，达到平衡时，容器中NO、N₂、CO₂的浓度之比从为2：1：1，氮气和二氧化碳难度之比始终为1：1，所以2：1＞4：3，说明平衡向逆反应方向移动，说明平衡向逆反应方向移动，达到新平衡时NO的转化率，说明逆反应是吸热反应，则正反应是放热反应；
故答案为：降低；＜；
（4）A、温度升高，反应速率加快，因此T₂＞T₁，甲烷剩余量增多，说明反应向左进行，正反应放热，所以a＜0，故A错误；
B、当温度为T₂、反应进行到40 min时，反应达到平衡状态，x=0.15，故B错误；
C、温度为T₂时，若向平衡后的容器中再充入0.50 mol CH₄和1.2mol NO₂，平衡逆向移动，重新达到平衡时，n（N₂）小于原平衡n（N₂）的2倍，故C正确；
D、对于反应   CH₄（g）+2NO₂（g）?N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）
起始（mol/L） 0.5      1.2       0       0        0
变化（mol/L） 0.4      0.8       0.4     0.4      0.8
平衡（mol/L） 0.1      0.4       0.4     0.4      0.8
温度为T₁时，平衡常数K=$\frac{0．{8}^{2}×0.4×0.4}{0.1×0．{4}^{2}}$=6.4，若起始时向容器中充入0.50 mol CH₄（g）、0.50 molNO₂（g）、1.0 mol N₂（g）、2.0 molCO₂（g）、0.50 molH₂O（g），浓度商Qc=$\frac{0．{5}^{2}×2×1}{0.5×0．{5}^{2}}$=4＜K，平衡正向移动，ν（正）＞ν（逆），故D正确；
故答案为：CD．

点评 本题考查了盖斯定律的应用、影响平衡移动的因素、平衡常数的有关计算等，综合性较强，侧重分析及计算能力的考查，把握化学平衡常数的有关计算为解答的关键，题目难度中等．