Question

【題目】工業(yè)燃燒煤、石油等化石燃料釋放出大量氮氧化物(NOx)、CO2、SO2等氣體，嚴(yán)重污染空氣。通過對廢氣進(jìn)行脫硝、脫碳和脫硫處理可實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保、廢物利用。

（1）已知：H2的燃燒熱為285.8 kJ·mol－1 H2O(g)＝H2O(l) ΔH＝－44 kJ/mol

N2(g)＋2O2(g)＝2NO2(g) ΔH＝＋133 kJ/mol

①在催化劑存在下，H2還原NO2生成水蒸氣和另一種無毒物質(zhì)的熱化學(xué)方程式為：___________________________________。

②反應(yīng)2NO2(g )＝N2(g)＋2O2(g)，設(shè)起始時(shí)容器中只有NO2，平衡時(shí)三種物質(zhì)的物質(zhì)的量與溫度關(guān)系如圖所示。

則A點(diǎn)時(shí)，NO2的轉(zhuǎn)化率為_______________。

B點(diǎn)時(shí)，設(shè)容器的總壓為a Pa，則平衡常數(shù)Kp為____（用平衡分壓代替平衡濃度計(jì)算，分壓=總壓×物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)）。

（2）向2 L密閉容器中加入2 mol CO2和6 mol H2，在適當(dāng)?shù)拇呋瘎┳饔孟�，下列反�?yīng)能自發(fā)進(jìn)行：CO2(g)＋3H2(g)CH3OH(g) ＋H2O(g)。

①該反應(yīng)ΔH_______0（填“>”、“<”或“=”）

②下列敘述能說明此反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)的是____________。（填字母）

a.混合氣體的平均相對分子質(zhì)量保持不變

b.1 mol CO2生成的同時(shí)有3 mol H—H鍵斷裂

c.CO2的轉(zhuǎn)化率和H2的轉(zhuǎn)化率相等

d.混合氣體的密度保持不變

③反應(yīng)CO2(g)＋3H2(g)CH3OH(g)＋H2O(g)，在起始溫度（T1℃）、體積相同（2L）的兩密閉容器中，改變條件，反應(yīng)過程中部分?jǐn)?shù)據(jù)見下表：

	反應(yīng)時(shí)間	CO2/mol	H2/mol	CH3OH/mol	H2O/mol
反應(yīng)Ⅰ：恒溫恒容	0 min	2	6	0	0
	10 min		4.5
	20 min	1
	30 min			1
反應(yīng)Ⅱ：絕熱恒容	0 min	0	0	2	2

反應(yīng)Ⅰ，前10min內(nèi)的平均反應(yīng)速率v(CH3OH)＝____________。達(dá)到平衡時(shí)，反應(yīng)Ⅰ、Ⅱ?qū)Ρ龋浩胶獬��?shù)K(I)____________K(II)（填“>”、“<”或“＝”）；平衡時(shí)CH3OH的濃度c(I)____________c(II)（填“>”、“<”或“＝”）。

Answer 1

【答案】4H2(g)+2NO2(g)＝N2(g)+4H2O(g) △H＝-1100.2kJ·mol-1 50% a Pa < a b 0.025 mol·L-1 ·min-1 > >

【解析】

（1）①已知：H2的燃燒熱為285.8kJmol-1，則H2(g)+O2(g)=H2O(l) △H=-285.8kJmol-1，又因?yàn)?/span>H2O(g)＝H2O(l) ΔH＝－44 kJ/mol，N2(g)＋2O2(g)＝2NO2(g) ΔH＝＋133kJ/mol，上述三個(gè)方程式分別標(biāo)為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，根據(jù)蓋斯定律，Ⅰ×4-Ⅱ×4-Ⅲ可得到在催化劑存在下H2還原NO2生成水蒸氣和其它無毒物質(zhì)的熱化學(xué)方程式4H2(g)+2NO2(g)＝N2(g)+4H2O(g) △H＝-1100.2kJmol-1。②根據(jù)化學(xué)方程式及圖示數(shù)據(jù)，A點(diǎn)時(shí)NO2是10mol，O2是10mol，N2是5mol，所以NO2初始物質(zhì)的量是20mol，則NO2的轉(zhuǎn)化率為50%；B點(diǎn)時(shí)NO2和N2物質(zhì)的量相等，設(shè)為xmol，則O2是2xmol，因?yàn)槿萜鞯目倝簽?/span>a Pa，所以NO2和N2的分壓都是a Pa，O2的分壓是a Pa，則平衡常數(shù)Kp===a Pa。

（2）①由方程式可看出該反應(yīng)S<0，因?yàn)榉磻?yīng)能自發(fā)進(jìn)行，所以H-TS<0，則H<0。②a項(xiàng)，混合氣體的平均相對分子質(zhì)量=氣體總質(zhì)量÷物質(zhì)的量，該反應(yīng)的反應(yīng)物和生成物都是氣體，物質(zhì)的量變化，根據(jù)質(zhì)量守恒定律，所以混合氣體的平均相對分子質(zhì)量變化，則當(dāng)混合氣體的平均相對分子質(zhì)量保持不變時(shí)，達(dá)到了平衡狀態(tài)，故a正確；b項(xiàng)，1molCO2生成同時(shí)有3molH-H鍵斷裂，即消耗3molH2，根據(jù)化學(xué)反應(yīng)方程式，能說明正逆反應(yīng)速率相等，則達(dá)到了平衡狀態(tài)，故b正確；c項(xiàng)，開始充入2molCO2和6molH2，投料比等于化學(xué)方程式系數(shù)比，CO2和H2的轉(zhuǎn)化率始終相等，不能說明正逆反應(yīng)速率相等，不一定達(dá)到平衡狀態(tài)，故c錯(cuò)誤；d項(xiàng)，混合氣體的密度等于氣體質(zhì)量和體積的比值，反應(yīng)前后質(zhì)量守恒，體積不變，所以密度始終不變，密度保持不變時(shí)不一定是平衡狀態(tài)，故d錯(cuò)誤。③由表中數(shù)據(jù)可知，反應(yīng)Ⅰ前10min內(nèi)反應(yīng)的H2為：(6-4.5)mol=1.5mol，根據(jù)化學(xué)方程式可得，生成CH3OH為：1.5mol÷3=0.5mol，前10min內(nèi)的平均反應(yīng)速率v(CH3OH)=0.5mol÷2L÷10min=0.025 molL-1min-1；前面已知該反應(yīng)H<0，為放熱反應(yīng)，又因?yàn)榉磻?yīng)Ⅰ為恒溫恒容條件，反應(yīng)Ⅱ?yàn)榻^熱恒容條件，所以反應(yīng)Ⅱ相當(dāng)于升溫，化學(xué)平衡常數(shù)減小，故K(I)>K(II)；反應(yīng)Ⅱ中若把CH3OH和H2O(g)的初始物質(zhì)的量全部轉(zhuǎn)化為CO2和H2，與反應(yīng)Ⅰ初始物質(zhì)的量對應(yīng)相等，但反應(yīng)Ⅱ溫度高于反應(yīng)Ⅰ，所以反應(yīng)Ⅱ相當(dāng)于在和反應(yīng)Ⅰ等效的基礎(chǔ)上又升高溫度，平衡逆向移動(dòng)，故平衡時(shí)CH3OH的濃度c(I)>c(II)。