Question

5．隨著大氣污染的日趨嚴重，國家擬于“十二五”期間將二氧化硫（SO₂）排放減少8%，氫氧化物排放量減少10%．目前，消除大氣污染有多重方法．
I．處理NO₂的一種方法是利用甲烷催化還原NO₂．
CH₄（g）+4NO₂（g）=4NO（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₁=-574kJ．mol^-1
CH₄（g）+4NO（g）=2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₂
CH₄（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₃=-867kJ．mol
則△H₂=-1160kJ•mol^-1
Ⅱ．化石燃料的燃燒，含硫金屬礦石的冶煉和硫酸的生產過程中產生的SO₂是大氣中SO₂的主要來源．
將煤轉化為誰每期是將煤轉化為結晶燃料的方法之一，反應為：C（s）+H₂O（g）?CO（g）+H₂（g）
一定溫度下，在1.0L密閉容器中放入1molC（s）、1molH₂O（g）進行反應，反應時間（t）與容器內氣體總壓強平（p）的數(shù)據(jù)見下表

時間t/h	0	1	2	4	8	16	20	25	30
總壓強p/100kPa	4.56	5.14	5.87	6.30	7.24	8.16	8.18	8.20	8.20

回答下列問題：
（1）下列那些選項可以說明該可逆反應已達平衡狀態(tài)AD
A．混合氣體的密度不再發(fā)生改變
B．消耗1molH₂O（g）的同時生成1molH₂
C．△H不變
D．V_正（CO）=V_逆（H₂）
（2）由總壓強P和起始壓強P₀表示反應體系的總物質的量n總，n總=$\frac{P}{{P}_{0}}$mol；由表中數(shù)據(jù)計算達到平衡時，反應物H₂O（g）的轉化率α=79.82%（精確到小數(shù)點后第二位）
（3）碘循環(huán)工藝不僅能吸收SO₂降低環(huán)境污染，同時又能值得氨氣，具體流程如下：
①用化學方程式表示整個過程發(fā)生的總反應SO₂+2H₂O=H₂SO₄+H₂
②用化學平行移動的原理分析，在HI分解反應中使用膜反應器分離出H的目的是降低生成物的濃度，使平衡向正方向移動
Ⅲ．（1）將1.0molCH₄和2.0molH₂O（g）通入容積為100L的反應器，在一定條件下發(fā)生反應：
CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）測得在一定的壓強下CH₄的平衡轉換率于溫度的關系如圖1.100℃時該反應的平衡常數(shù)為7.2×10^-5
（2）在一定溫度和壓強條件下發(fā)生了反應：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H＜O，反應達到平衡時，改變溫度（T）和壓強（P），反應混合物CH₃OH“物質的量分數(shù)”變化情況如圖2所示，關于溫度（T）和壓強（P）的關系判斷準確的是CD（填序號）
A．P₃＞P₂，T₃＞T₂ B．P₂＞P₄，T₄＞T₂ C．P₁＞P₃，T₁＞T₃ D．P₁＞P₄，T₁＞T₄

Answer 1

分析 I．根據(jù)蓋斯定律，由已知熱化學方程式乘以適當?shù)南禂?shù)進行加減構造目標熱化學方程式，反應熱也進行相應的計算；
Ⅱ．（1）可逆反應到達平衡時，同一物質的正逆反應速率相等，各組分的濃度、含量不變，由此衍生的一些其它量不變，該物理量應隨反應進行發(fā)生變化，當該物理量由變化到不變化，說明到達平衡；
（2）恒溫恒容下，壓強之比對氣體物質的量之比，據(jù)此計算反應體系的總物質的量；
由表中數(shù)據(jù)可知，20h與30h時總壓強相等，故20h時反應到達平衡，根據(jù)壓強與總物質的量關系計算此時n_總，再結合方程式、利用差量法計算參加反應水的物質的量，進而計算水的轉化率；
（3）①從流程圖可知，在反應器中I₂氧化SO₂生成硫酸和HI，在膜反應器中HI分解為氫氣與I₂，碘循環(huán)利用，整個過程相當于二氧化硫與水反應生成硫酸與氫氣；
②降低生成物的濃度，使平衡向正方向移動；
Ⅲ．（1）由圖可知，平衡時甲烷的轉化率為40%，據(jù)此計算參加反應甲烷物質的量，利用三段式計算平衡時各組分的物質的量，進而計算各組分的平衡濃度，代入平衡常數(shù)表達式K=$\frac{c（CO）×{c}^{3}（{H}_{2}）}{c（C{H}_{4}）×c（{H}_{2}O）}$計算；
（2）對于反應：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g），△H＜0，正反應為氣體體積減小的吸熱反應，增大壓強，平衡向正反應方向移動，甲醇的物質的量分數(shù)則越大，升高溫度，平衡向逆反應方向移動，甲醇的物質的量分數(shù)越�。�

解答 解：Ⅰ．已知：①CH₄（g）+4NO₂（g）═4NO（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₁=-574kJ•mol^-1
③CH₄（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₃=-867kJ．mol，
由蓋斯定律，③×2-①得到：CH₄（g）+2NO₂（g）═N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g），故△H₂=（-867kJ•mol^-1）×2-（-574kJ•mol^-1）=-1160kJ•mol^-1，
故答案為：-1160kJ•mol^-1；
CH₄（g）+4NO（g）=2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₂
Ⅱ．（1）A．隨反應進行，混合氣體總質量增大，容器容積不變，混合氣體密度增大，混合氣體密度不變，說明到達平衡，故A正確；
B．消耗1molH₂O（g）的同時生成1molH₂，均表示正反應速率，二者反應速率始終相等，故B錯誤；
C．△H與是否到達平衡無關，與反應中各物質的化學計量數(shù)有關，故C錯誤；
D．若V_正（CO）=V_逆（H₂），由速率之比等于其化學計量數(shù)之比，則V_正（CO）=V_逆（CO），故反應到達平衡，故D正確，
故選：AD；
（2）恒溫恒容下，壓強之比對氣體物質的量之比，則P：P₀=n_總：1mol，故n_總=$\frac{P}{{P}_{0}}$mol；
由表中數(shù)據(jù)可知，20h與30h時總壓強相等，故20h時反應到達平衡，平衡時壓強為8.2，
則n_總=$\frac{8.2}{4.56}$mol，C（s）+H₂O（g）?CO（g）+H₂（g）物質的量增大
                      1                           1
                    n（H₂O）                         $\frac{8.2}{4.56}$mol-1mol=$\frac{3.64}{4.56}$mol，
故參加反應n（H₂O）=$\frac{3.64}{4.56}$mol，水的轉化率為$\frac{\frac{3.64}{4.56}mol}{1mol}$×100%=79.82%，
故答案為：$\frac{P}{{P}_{0}}$；79.82%；
（3）①從流程圖可知，在反應器中I₂氧化SO₂生成硫酸和HI，在膜反應器中HI分解為氫氣與I₂，碘循環(huán)利用，整個過程相當于二氧化硫與水反應生成硫酸與氫氣，總反應方程式為：SO₂+2H₂O=H₂SO₄+H₂，
故答案為：SO₂+2H₂O=H₂SO₄+H₂；
②分離出氫氣，降低生成物的濃度，使平衡向正方向移動，
故答案為：降低生成物的濃度，使平衡向正方向移動；
Ⅲ．（1）由圖可知，平衡時甲烷的轉化率為40%，參加反應甲烷物質的量為1mol×40%=0.4mol，則：
          CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）
開始（mol）：1       2         0       0
轉化（mol）：0.4     0.4       0.4     1.2
平衡（mol）：0.6     1.6       0.4     1.2
則平衡常數(shù)表達式K=$\frac{c（CO）×{c}^{3}（{H}_{2}）}{c（C{H}_{4}）×c（{H}_{2}O）}$=$\frac{\frac{0.4}{100}×（\frac{1.2}{100}）^{3}}{\frac{0.6}{100}×\frac{1.6}{100}}$=7.2×10^-5，
故答案為：7.2×10^-5；
（2）對于反應：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g），△H＜0，正反應為氣體體積減小的吸熱反應，增大壓強，平衡向正反應方向移動，甲醇的物質的量分數(shù)則越大，升高溫度，平衡向逆反應方向移動，甲醇的物質的量分數(shù)越小，
由圖可知，一定溫度下，壓強為P₁、P₂、P₃、P₄，對應甲醇的質量分數(shù)依次增大，正反應為氣體體積減小的反應，增大壓強，平衡向正反應方向移動，甲醇的質量分數(shù)增大，故壓強為P₁＞P₂＞P₃＞P₄；
一定壓強下，溫度為T₁、T₂、T₃、T₄，對應甲醇的質量分數(shù)依次增大，正反應為放熱反應，升高溫度，平衡向逆反應方向移動，甲醇的質量分數(shù)減小，故溫度為T₁＞T₂＞T₃＞T₄，
故答案為：CD．

點評 本題屬于拼合型題目，涉及反應熱計算、化學平衡狀態(tài)判斷、化學工藝流程、化學平衡有關計算、化學平衡常數(shù)計算、化學平衡圖象及影響因素等，需要學生具備扎實的基礎，難度中等．