Question

【題目】工業燃燒煤、石油等化石燃料釋放出大量氮氧化物(NOx)、CO2、SO2等氣體，嚴重污染空氣。通過對廢氣進行脫硝、脫碳和脫硫處理可實現綠色環保、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的熱化學方程式為：___________________________________。

②反應2NO2(g )＝N2(g)＋2O2(g)，設起始時容器中只有NO2，平衡時三種物質的物質的量與溫度關系如圖所示。

則A點時，NO2的轉化率為_______________。

B點時，設容器的總壓為a Pa，則平衡常數Kp為____（用平衡分壓代替平衡濃度計算，分壓=總壓×物質的量分數）。

（2）向2 L密閉容器中加入2 mol CO2和6 mol H2，在適當的催化劑作用下，下列反應能自發進行：CO2(g)＋3H2(g)CH3OH(g) ＋H2O(g)。

①該反應ΔH_______0（填“>”、“<”或“=”）

②下列敘述能說明此反應達到平衡狀態的是____________。（填字母）

a.混合氣體的平均相對分子質量保持不變

b.1 mol CO2生成的同時有3 mol H—H鍵斷裂

c.CO2的轉化率和H2的轉化率相等

d.混合氣體的密度保持不變

③反應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，反應過程中部分數據見下表：

	反應時間	CO2/mol	H2/mol	CH3OH/mol	H2O/mol
反應Ⅰ：恒溫恒容	0 min	2	6	0	0
	10 min		4.5
	20 min	1
	30 min			1
反應Ⅱ：絕熱恒容	0 min	0	0	2	2

反應Ⅰ，前10min內的平均反應速率v(CH3OH)＝____________。達到平衡時，反應Ⅰ、Ⅱ對比：平衡常數K(I)____________K(II)（填“>”、“<”或“＝”）；平衡時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，又因為H2O(g)＝H2O(l) ΔH＝－44 kJ/mol，N2(g)＋2O2(g)＝2NO2(g) ΔH＝＋133kJ/mol，上述三個方程式分別標為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，根據蓋斯定律，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的熱化學方程式4H2(g)+2NO2(g)＝N2(g)+4H2O(g) △H＝-1100.2kJmol-1。②根據化學方程式及圖示數據，A點時NO2是10mol，O2是10mol，N2是5mol，所以NO2初始物質的量是20mol，則NO2的轉化率為50%；B點時NO2和N2物質的量相等，設為xmol，則O2是2xmol，因為容器的總壓為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Kp===a Pa。

（2）①由方程式可看出該反應S<0，因為反應能自發進行，所以H-TS<0，則H<0。②a項，混合氣體的平均相對分子質量=氣體總質量÷物質的量，該反應的反應物和生成物都是氣體，物質的量變化，根據質量守恒定律，所以混合氣體的平均相對分子質量變化，則當混合氣體的平均相對分子質量保持不變時，達到了平衡狀態，故a正確；b項，1molCO2生成同時有3molH-H鍵斷裂，即消耗3molH2，根據化學反應方程式，能說明正逆反應速率相等，則達到了平衡狀態，故b正確；c項，開始充入2molCO2和6molH2，投料比等于化學方程式系數比，CO2和H2的轉化率始終相等，不能說明正逆反應速率相等，不一定達到平衡狀態，故c錯誤；d項，混合氣體的密度等于氣體質量和體積的比值，反應前后質量守恒，體積不變，所以密度始終不變，密度保持不變時不一定是平衡狀態，故d錯誤。③由表中數據可知，反應Ⅰ前10min內反應的H2為：(6-4.5)mol=1.5mol，根據化學方程式可得，生成CH3OH為：1.5mol÷3=0.5mol，前10min內的平均反應速率v(CH3OH)=0.5mol÷2L÷10min=0.025 molL-1min-1；前面已知該反應H<0，為放熱反應，又因為反應Ⅰ為恒溫恒容條件，反應Ⅱ為絕熱恒容條件，所以反應Ⅱ相當于升溫，化學平衡常數減小，故K(I)>K(II)；反應Ⅱ中若把CH3OH和H2O(g)的初始物質的量全部轉化為CO2和H2，與反應Ⅰ初始物質的量對應相等，但反應Ⅱ溫度高于反應Ⅰ，所以反應Ⅱ相當于在和反應Ⅰ等效的基礎上又升高溫度，平衡逆向移動，故平衡時CH3OH的濃度c(I)>c(II)。