Question

13．二氧化硫和氮的氧化物是常用的化工原料，但也是大气的主要污染物．综合治理其污染是环境化学当前的重要研究内容之一．

【Ⅰ】硫酸生产中，SO₂催化氧化生成SO₃：2SO₂（g）+O₂（g）$?_{△}^{催化剂}$2SO₃（g）
某温度下，SO₂的平衡转化率（α）与体系总压强（P）的关系如下图所示．根据图示回答下列问题：
①写出该反应的化学平衡常数表达式：K=$\frac{{c}^{2}（S{O}_{3}）}{{c}^{2}（S{O}_{2}）．c（{O}_{2}）}$．
②将2.0mol SO₂和1.0mol O₂置于10L密闭容器中，反应达平衡后，体系总压强为0.10MPa．该反应的平衡常数等于800．
③平衡状态由A变到B时．平衡常数K（A）=K（B）（填“＞”、“＜”或“=”）．
④已知单质硫的燃烧热为296KJ•mol^-1，1mol SO₂（g）氧化为1mol SO₃（g）的△H=-99kJ•mol^-1．计算由S（s）生成3molSO₃（g）的△H=-1185kJ•mol^-1．
【Ⅱ】（1）用CH₄催化还原NO_x可以消除氮氧化物的污染．例如：
CH₄（g）+4NO₂（g）=4NO（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-574kJ•mol^-1
CH₄（g）+4NO（g）=2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-1160kJ•mol^-1
若用标准状况下4.48L CH₄还原NO₂至N₂整个过程中转移的电子总数为1.6N_A（阿伏加德罗常数的值用N_A表示），放出的热量为：173.4kJ．
高温
（2）氮化硅（Si₃N₄）是一种新型陶瓷材料，它可由石英与焦炭在高温的氮气流中，通过以下反应制得：
3SiO₂（s）+6C（s）+2N₂（g）?Si₃N₄（s）+6CO（g）

达到平衡后，改变某一外界条件（不改变N₂、CO的量），反应速率υ与时间t的关系如图．图中t₄时引起平衡移动的条件可能是增大压强；图中表示平衡混合物中CO的含量最高的一段时间是t₃-t₄．

Answer 1

分析 I．①该反应的化学平衡常数表达式：K=$\frac{{c}^{2}（S{O}_{3}）}{{c}^{2}（S{O}_{2}）．c（{O}_{2}）}$；
②反应达平衡后，体系总压强为0.10MPa，由图可知，SO₂的平衡转化率α=0.80，利用三段式表示出平衡时反应混合物各组分的物质的量，再计算平衡时反应混合物各组分的平衡浓度，代入平衡常数表达式计算；
③化学平衡常数只与温度有关，温度不变，化学平衡常数不变；
④根据盖斯定律计算反应热；
II．（1）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
反应$\frac{①+②}{2}$可知CH₄（g）+2NO₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（g）+N₂（g），1molCH₄反应转移8mol电子；根据盖斯定律及物质的量与反应热的数值关系计算放出的热量；
（2）根据图知，t₂时改变条件，正逆反应速率都增大，且平衡正向移动，改变的条件为温度；
图中t₄时正逆反应速率都增大，平衡逆向移动，改变的条件可能是压强；
t₆时正逆反应速率都增大但仍然相等，平衡不移动，改变的条件是催化剂；要使CO的浓度最大，则平衡正向正反应方向移动而不向逆反应方向移动时．

解答 解：I．①该反应的化学平衡常数表达式：K=$\frac{{c}^{2}（S{O}_{3}）}{{c}^{2}（S{O}_{2}）．c（{O}_{2}）}$，故答案为：K=$\frac{{c}^{2}（S{O}_{3}）}{{c}^{2}（S{O}_{2}）．c（{O}_{2}）}$；
②由图象知，体系总压强为0.10MPa时SO₂的平衡转化率为0.8，则
       2SO₂（g）+O₂（g）$\frac{\underline{MnO_2}}{△}$2SO₃（g）
起始：2.0mol    1.0mol         0
转化：1.6mol    0.8mol         1.6mol
平衡：0.4mol    0.2mol         1.6mol
则平衡时：c（SO₂）=0.04mol/L，c（O₂）=0.02mol/L，c（SO₃）=0.16mol/L，
K=$\frac{{c}^{2}（S{O}_{3}）}{{c}^{2}（S{O}_{2}）．c（{O}_{2}）}$=$\frac{0.16×0.16}{（0.04）^{2}×0.02}$=800，
故答案为：800；
③化学平衡常数只与温度有关，温度不变，化学平衡常数不变，A、B点温度相同，所以平衡常数K（A）=K（B），故答案为：=；
④①S（s）+O₂（g）=SO₂（g）△H₁=-296 KJ•mol^-1，②SO₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=SO₃（g）△H₂=-99 kJ•mol^-1；
则利用盖斯定律将①×3+②×3可得3 S（s）+$\frac{9}{2}$O₂（g）=3SO₃（g）△H₃=3×（△H₁+△H₂）=-1185 kJ•mol^-1，
故答案为：-1185；
II．（1）①CH₄（g）+4NO₂（g）=4NO（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-574kJ•mol^-1
②CH₄（g）+4NO（g）=2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-1160kJ•mol^-1
反应$\frac{①+②}{2}$可知CH₄（g）+2NO₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（g）+N₂（g），1molCH₄反应转移8mol电子，4.48L甲烷的物质的量是0.2mol，0.2mol甲烷发生氧化反应时转移电子物质的量是1.6mol，转移电子数为1.6N_A；
反应$\frac{①+②}{2}$可知CH₄（g）+2NO₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（g）+N₂（g）△H=-867kJ/mol，标准状况下4.48LCH₄其物质的量为0.2mol，则放出的热量为0.2mol×867kJ=173.4kJ，
故答案为：1.6N_A；173.4；
（2）根据图知，t₂时改变条件，正逆反应速率都增大，且平衡正向移动，改变的条件为温度；
图中t₄时正逆反应速率都增大，平衡逆向移动，该反应是反应前后气体体积增大的可逆反应，所以改变的条件可能是压强；
t₆时正逆反应速率都增大但仍然相等，平衡不移动，改变的条件是催化剂；要使CO的浓度最大，则平衡正向正反应方向移动而不向逆反应方向移动时，则平衡混合物中CO的含量最高的一段时间是t₃-t₄，
故答案为：增大压强；t₃-t₄．

点评 本题考查化学平衡计算、化学平衡移动影响因素、盖斯定律有关计算等知识点，侧重考查学生分析计算能力，难点是根据改变条件时正逆反应速率变化及相对大小判断反应方向，题目难度中等．