Question

9．碳、氮及其化合物在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活中有著重要作用．請回答下列問題：
（1）用CH₄催化還原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）△H₁=-574kJ•mol^-1
CH₄（g）+4NO（g）═2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₂
若2mol CH₄還原NO₂至N₂，整個過程中放出的熱量為1734kJ，則△H₂=-1160kJ•mol^-1；
（2）據(jù)報道，科學(xué)家在一定條件下利用Fe₂O₃與甲烷反應(yīng)可制取“納米級”的金屬鐵．其反應(yīng)如下：Fe₂O₃（s）+3CH₄（g）?2Fe（s）+3CO（g）+6H₂（g）△H＞0
①若反應(yīng)在5L的密閉容器中進行，1min后達到平衡，測得Fe₂O₃在反應(yīng)中質(zhì)量減少3.2g．則該段時間內(nèi)CO的平均反應(yīng)速率為0.012mol/（L•min）．
②若該反應(yīng)在恒溫恒壓容器中進行，能表明該反應(yīng)達到平衡狀態(tài)的是bd（選填序號）
a．CH₄的轉(zhuǎn)化率等于CO的產(chǎn)率
b．混合氣體的平均相對分子質(zhì)量不變
c．v（CO）與v（H₂）的比值不變
d．固體的總質(zhì)量不變
③該反應(yīng)達到平衡時某物理量隨溫度變化如圖所示，當(dāng)溫度由T₁升高到T₂時，平衡常數(shù)K_A＜K_B（填“＞”、“＜”或“=”）．縱坐標(biāo)可以表示的物理量有哪些bc．
a．H₂的逆反應(yīng)速率                 
b．CH₄的體積分?jǐn)?shù)
c．混合氣體的平均相對分子質(zhì)量．

Answer 1

分析 （1）CH₄（g）+4NO₂（g）=4NO（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₁=-574kJ•mol^-1 ①
CH₄（g）+4NO（g）=2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₂ ②
①+②得：2CH₄（g）+4NO₂（g）=2CO₂（g）+4H₂O（g）+2N₂（g）根據(jù)蓋斯定律以及熱化學(xué)方程式的意義來解答；
（2）①結(jié)合題干計算鐵物質(zhì)的量，根據(jù)化學(xué)方程式定量關(guān)系計算甲烷消耗的物質(zhì)的量，依據(jù)化學(xué)反應(yīng)速率概念計算得到；
②反應(yīng)達到平衡狀態(tài)時，正逆反應(yīng)速率相等，各組分濃度保持不變，據(jù)此分析；
③該反應(yīng)是正反應(yīng)氣體體積增大的吸熱反應(yīng)，升溫平衡正向移動，據(jù)此分析．

解答 解：（1）CH₄（g）+4NO₂（g）=4NO（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₁=-574kJ•mol^-1 ①
CH₄（g）+4NO（g）=2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₂ ②
根據(jù)蓋斯定律得：2CH₄（g）+4NO₂（g）=2CO₂（g）+4H₂O（g）+2N₂（g）△H₁+△H₂
而 1mol CH₄還原NO₂至N₂，整個過程中放出的熱量為867kJ，所以△H₁+△H₂=-1734kJ•mol^-1，則△H₂=-1734kJ•mol^-1+574kJ•mol^-1=-1160 kJ•mol^-1，
故答案為：-1160kJ•mol^-1；
（2）①若反應(yīng)在5L的密閉容器中進行，1min后達到平衡，測得Fe₂O₃在反應(yīng)中質(zhì)量減少3.2g的物質(zhì)的量=$\frac{3.2g}{160g/mol}$=0.02mol，結(jié)合化學(xué)方程式，F(xiàn)e₂O₃（s）+3CH₄（g）═2Fe（s）+3CO（g）+6H₂（g），計算反應(yīng)的甲烷物質(zhì)的量為0.06mol，則該段時間內(nèi)CH₄的平均反應(yīng)速率=$\frac{\frac{0.06mol}{5L}}{1min}$=0.012mol/（L•min）；
故答案為：0.012mol/（L•min）；
②a．CH₄的轉(zhuǎn)化率與CO的產(chǎn)率與是否達到平衡狀態(tài)無關(guān)，故a錯誤；
b．反應(yīng)前后氣體的物質(zhì)的量和質(zhì)量都不同，所以混合氣體的平均相對分子質(zhì)量不變說明反應(yīng)達到平衡狀態(tài)，故b正確；
c、v（CO）與v（H₂）的比值始終不變，所以其不能說明反應(yīng)達到平衡狀態(tài)，故c錯誤；
d、固體的總質(zhì)量不變，說明正逆反應(yīng)速率相等，反應(yīng)達到平衡狀態(tài)，故d正確；
故答案為：bd；
③Fe₂O₃（s）+3CH₄（g）═2Fe（s）+3CO（g）+6H₂（g）△H＞0，反應(yīng)是氣體體積增大的吸熱反應(yīng)，升溫平衡正向移動，平衡常數(shù)增大，K_A＜K_B；
a．H₂的逆反應(yīng)速率隨溫度的升高而增大，故a錯誤；
b．升溫平衡正向移動，CH₄的體積分?jǐn)?shù)減小，故b正確；
c．升溫平衡正向移動，混合氣體的平均相對分子質(zhì)量減小，故c正確；
d．升溫平衡正向移動，CO的體積分?jǐn)?shù)增大，故d錯誤；
故答案為：＜；bc．

點評 本題綜合考查學(xué)生有關(guān)熱化學(xué)、化學(xué)反應(yīng)速率和平衡的有關(guān)計算等知識，綜合性較強，難度大，注意知識的遷移應(yīng)用是關(guān)鍵．