Question

6．碳、氮及其化合物在生產(chǎn)中有重要應(yīng)用．
（1）設(shè)反應(yīng) ①Fe（s）+CO₂（g）?FeO（s）+CO（g）△H=Q₁的平衡常數(shù)為K₁，反應(yīng)②Fe（s）+H₂O（g）?FeO（s）+H₂（g）△H=Q₂的平衡常數(shù)為K₂，在不同溫度下，K₁、K₂的值如表：

T/K	K1	K2
973	1.47	2.38
1173	2.15	1.67

現(xiàn)有反應(yīng) ③H₂（g）+CO₂（g）?CO（g）+H₂O（g）△H=Q₃
結(jié)合表數(shù)據(jù)，根據(jù)反應(yīng)①、②推導(dǎo)出推導(dǎo)出Q₁、Q₂、Q₃的關(guān)系式Q₃=Q₁-Q₂，反應(yīng)③是吸熱（填“放”或“吸”）熱反應(yīng)．
（2）使用稀土催化劑有效消除汽車尾氣中的NO_x、碳?xì)浠�合物也已逐漸成為成熟技術(shù)．壓縮天然氣汽車?yán)�用這一技術(shù)將NO_x、CH₄轉(zhuǎn)化成無毒物質(zhì)，其中兩個反應(yīng)為：
Ⅰ．CH₄（g）+4NO（g）$\frac{\underline{\;催化劑\;}}{\;}$2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）
Ⅱ．CH₄（g）+2NO₂（g） $\frac{\underline{\;催化劑\;}}{\;}$N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）
實驗室在恒壓下，將CH₄（g）和NO₂（g）置于密閉容器中發(fā)生反應(yīng)Ⅱ，測得在不同溫度、不同投料比時，NO₂的平衡轉(zhuǎn)化率如表：

投料比[n（NO2）/n（CH4）]	400 K	500 K	600 K
1	60%	43%	28%
2	45%	33%	20%

①寫出該反應(yīng)平衡常數(shù)的表達(dá)式K=$\frac{c（{N}_{2}）•c（C{O}_{2}）•{c}^{2}（{H}_{2}O）}{c（C{H}_{4}）•{c}^{2}（N{O}_{2}）}$，若降低溫度，提高[n（NO₂）/n（CH₄）]
投料比，則K將增大．（填“增大”、“減小”或“不變”）
②400K時，將投料比為1的NO₂和CH₄的混合氣體共0.04mol，充入一裝有催化劑的容器中，充分反應(yīng)后，平衡時NO₂的體積分?jǐn)?shù)17.4%．
③收集某汽車尾氣經(jīng)測量NO_x的含量為1.12%（體積分?jǐn)?shù)），若用甲烷將其完全轉(zhuǎn)化為無害氣體，處理1×10⁴L（標(biāo)準(zhǔn)狀況下）該尾氣需要甲烷30g，則尾氣中V（NO）：V（NO₂）=1：1．
④在密閉容器內(nèi)先通入一定量的CH₄，然后再充入一定量的NO₂．在不同溫度下，同時發(fā)生反應(yīng)Ⅱ：并在 t秒時測定其中NO₂轉(zhuǎn)化率，繪得圖象如圖所示：

產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是在250℃-450℃時，NO_x轉(zhuǎn)化率隨溫度升高而增大：反應(yīng)未建立平衡，溫度升高反應(yīng)正向進(jìn)行．450℃-600℃（溫度較高）時，反應(yīng)已達(dá)平衡，所以，溫度升高平衡逆向移動，NO_x轉(zhuǎn)化率隨溫度升高反而減�。�

Answer 1

分析 （1）已知：①Fe（s）+CO₂（g）?FeO（s）+CO（g）△H=Q₁
②Fe（s）+H₂O（g）?FeO（s）+H₂（g）△H=Q₂
由蓋斯定律①-②得③H₂（g）+CO₂（g）?CO（g）+H₂O（g）計算Q₃，結(jié)合圖表中平衡常數(shù)隨溫度變化分析反應(yīng)熱量變化；
（2）①根據(jù)化學(xué)平衡常數(shù)為生成物濃度冪之積與反應(yīng)物濃度冪之積之比列式；反應(yīng)Ⅱ為放熱反應(yīng)，降低溫度，化學(xué)平衡常數(shù)增大；
②400K時，將投料比為1的NO₂和CH₄的混合氣體共0.04mol，則NO₂和CH₄的各0.02mol，二氧化氮轉(zhuǎn)化率為60%，依據(jù)化學(xué)平衡三段式列式計算；
③依據(jù)一氧化氮、二氧化氮變化為氮?dú)�，甲烷變化為二氧化碳過程中電子轉(zhuǎn)移守恒列式計算；
④在250℃-450℃時，NO_x轉(zhuǎn)化率隨溫度升高而增大：反應(yīng)未建立平衡，溫度升高反應(yīng)正向進(jìn)行． 450℃-600℃（溫度較高）時，反應(yīng)已達(dá)平衡，所以，溫度升高平衡逆向移動，NO_x轉(zhuǎn)化率隨溫度升高反而減�。�

解答 解：（1）由圖可知反應(yīng) ①的K₁隨溫度升高而增大，說明正反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，△H＞0，反應(yīng) ②的K₂隨溫度升高而減小，說明正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，△H＜0，
已知：①Fe（s）+CO₂（g）?FeO（s）+CO（g）△H=Q₁＞0
②Fe（s）+H₂O（g）?FeO（s）+H₂（g）△H=Q₂＜0
由蓋斯定律①-②得③H₂（g）+CO₂（g）?CO（g）+H₂O（g））△H=Q₃=Q₁-Q₂＞0，說明是個吸熱反應(yīng)；
故答案為：Q₁-Q₂；吸熱；
（2）①Ⅱ、CH₄（g）+2NO₂（g） $\frac{\underline{\;催化劑\;}}{\;}$N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）
則化學(xué)平衡常數(shù)K=$\frac{c（{N}_{2}）•{c}^{2}（{H}_{2}O）•c（C{O}_{2}）}{c（C{H}_{4}）•{c}^{2}（N{O}_{2}）}$；反應(yīng)Ⅱ為放熱反應(yīng)，降低溫度，化學(xué)平衡常數(shù)增大；
故答案為：$\frac{c（{N}_{2}）•{c}^{2}（{H}_{2}O）•c（C{O}_{2}）}{c（C{H}_{4}）•{c}^{2}（N{O}_{2}）}$；增大；
②400K時，將投料比為1的NO₂和CH₄的混合氣體共0.04mol，則NO₂和CH₄的各0.02mol，二氧化氮轉(zhuǎn)化率為60%，則
        CH₄（g）+2NO₂（g）$\frac{\underline{\;催化劑\;}}{\;}$N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）
n始  0.02            0.02                         0              0                0
n轉(zhuǎn)  0.006  0.02×0.6=0.012              0.006         0.006          0.012
n平 0.014          0.008                    0.006          0.006           0.012
平衡時NO₂的體積分?jǐn)?shù)為：$\frac{0.008}{0.014+0.008+0.006+0.006+0.012}×100%$=17.4%；
故答案為：17.4%；          
③收集某汽車尾氣經(jīng)測量NO_x的含量為1.12%（體積分?jǐn)?shù)），若用甲烷將其完全轉(zhuǎn)化為無害氣體，處理1×10⁴L（標(biāo)準(zhǔn)狀況下）該尾氣的物質(zhì)的量為：1.12%×1×10⁴L÷22.4L/mol=5mol，需要甲烷30g，設(shè)尾氣中NO物質(zhì)的量為x，NO₂物質(zhì)的量為y，2NO～N₂～4e^-，2NO₂～N₂～4e^-，CH₄～CO₂～8e^-，
2x+4y=$\frac{30g}{16g/L}×8$=15，
x+y=5，解得x=2.5mol，y=2.5mol，尾氣中V（NO）：V（NO₂）=1：1；
故答案為：1：1；
④在250℃-450℃時，NO_x轉(zhuǎn)化率隨溫度升高而增大：反應(yīng)未建立平衡，溫度升高反應(yīng)正向進(jìn)行． 450℃-600℃（溫度較高）時，反應(yīng)已達(dá)平衡，所以，溫度升高平衡逆向移動，NO_x轉(zhuǎn)化率隨溫度升高反而減�。�
故答案為：在250℃-450℃時，NO_x轉(zhuǎn)化率隨溫度升高而增大：反應(yīng)未建立平衡，溫度升高反應(yīng)正向進(jìn)行． 450℃-600℃（溫度較高）時，反應(yīng)已達(dá)平衡，所以，溫度升高平衡逆向移動，NO_x轉(zhuǎn)化率隨溫度升高反而減�。�

點(diǎn)評 本題考查化學(xué)平衡常數(shù)計算及影響因素、平衡狀態(tài)判斷、蓋斯定律應(yīng)用等，判斷平衡的物理量應(yīng)隨反應(yīng)進(jìn)行發(fā)生變化，該物理量由變化到不變化說明到達(dá)平衡，注意圖象變化規(guī)律的理解應(yīng)用，掌握平衡移動原理是關(guān)鍵，題目難度較大．