Question

13．二氧化硫和氮的氧化物是常用的化工原料，但也是大氣的主要污染物．綜合治理其污染是環(huán)境化學(xué)當(dāng)前的重要研究?jī)?nèi)容之一．

【Ⅰ】硫酸生產(chǎn)中，SO₂催化氧化生成SO₃：2SO₂（g）+O₂（g）$?_{△}^{催化劑}$2SO₃（g）
某溫度下，SO₂的平衡轉(zhuǎn)化率（α）與體系總壓強(qiáng)（P）的關(guān)系如下圖所示．根據(jù)圖示回答下列問題：
①寫出該反應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù)表達(dá)式：K=$\frac{{c}^{2}（S{O}_{3}）}{{c}^{2}（S{O}_{2}）．c（{O}_{2}）}$．
②將2.0mol SO₂和1.0mol O₂置于10L密閉容器中，反應(yīng)達(dá)平衡后，體系總壓強(qiáng)為0.10MPa．該反應(yīng)的平衡常數(shù)等于800．
③平衡狀態(tài)由A變到B時(shí)．平衡常數(shù)K（A）=K（B）（填“＞”、“＜”或“=”）．
④已知單質(zhì)硫的燃燒熱為296KJ•mol^-1，1mol SO₂（g）氧化為1mol SO₃（g）的△H=-99kJ•mol^-1．計(jì)算由S（s）生成3molSO₃（g）的△H=-1185kJ•mol^-1．
【Ⅱ】（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）△H=-574kJ•mol^-1
CH₄（g）+4NO（g）=2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-1160kJ•mol^-1
若用標(biāo)準(zhǔn)狀況下4.48L CH₄還原NO₂至N₂整個(gè)過程中轉(zhuǎn)移的電子總數(shù)為1.6N_A（阿伏加德羅常數(shù)的值用N_A表示），放出的熱量為：173.4kJ．
高溫
（2）氮化硅（Si₃N₄）是一種新型陶瓷材料，它可由石英與焦炭在高溫的氮?dú)饬髦校�通過以下反應(yīng)制得：
3SiO₂（s）+6C（s）+2N₂（g）?Si₃N₄（s）+6CO（g）

達(dá)到平衡后，改變某一外界條件（不改變N₂、CO的量），反應(yīng)速率υ與時(shí)間t的關(guān)系如圖．圖中t₄時(shí)引起平衡移動(dòng)的條件可能是增大壓強(qiáng)；圖中表示平衡混合物中CO的含量最高的一段時(shí)間是t₃-t₄．

Answer 1

分析 I．①該反應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù)表達(dá)式：K=$\frac{{c}^{2}（S{O}_{3}）}{{c}^{2}（S{O}_{2}）．c（{O}_{2}）}$；
②反應(yīng)達(dá)平衡后，體系總壓強(qiáng)為0.10MPa，由圖可知，SO₂的平衡轉(zhuǎn)化率α=0.80，利用三段式表示出平衡時(shí)反應(yīng)混合物各組分的物質(zhì)的量，再計(jì)算平衡時(shí)反應(yīng)混合物各組分的平衡濃度，代入平衡常數(shù)表達(dá)式計(jì)算；
③化學(xué)平衡常數(shù)只與溫度有關(guān)，溫度不變，化學(xué)平衡常數(shù)不變；
④根據(jù)蓋斯定律計(jì)算反應(yīng)熱；
II．（1）①CH₄（g）+4NO₂（g）=4NO（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-574kJ•mol^-1
②CH₄（g）+4NO（g）=2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-1160kJ•mol^-1
反應(yīng)$\frac{①+②}{2}$可知CH₄（g）+2NO₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（g）+N₂（g），1molCH₄反應(yīng)轉(zhuǎn)移8mol電子；根據(jù)蓋斯定律及物質(zhì)的量與反應(yīng)熱的數(shù)值關(guān)系計(jì)算放出的熱量；
（2）根據(jù)圖知，t₂時(shí)改變條件，正逆反應(yīng)速率都增大，且平衡正向移動(dòng)，改變的條件為溫度；
圖中t₄時(shí)正逆反應(yīng)速率都增大，平衡逆向移動(dòng)，改變的條件可能是壓強(qiáng)；
t₆時(shí)正逆反應(yīng)速率都增大但仍然相等，平衡不移動(dòng)，改變的條件是催化劑；要使CO的濃度最大，則平衡正向正反應(yīng)方向移動(dòng)而不向逆反應(yīng)方向移動(dòng)時(shí)．

解答 解：I．①該反應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù)表達(dá)式：K=$\frac{{c}^{2}（S{O}_{3}）}{{c}^{2}（S{O}_{2}）．c（{O}_{2}）}$，故答案為：K=$\frac{{c}^{2}（S{O}_{3}）}{{c}^{2}（S{O}_{2}）．c（{O}_{2}）}$；
②由圖象知，體系總壓強(qiáng)為0.10MPa時(shí)SO₂的平衡轉(zhuǎn)化率為0.8，則
       2SO₂（g）+O₂（g）$\frac{\underline{MnO_2}}{△}$2SO₃（g）
起始：2.0mol    1.0mol         0
轉(zhuǎn)化：1.6mol    0.8mol         1.6mol
平衡：0.4mol    0.2mol         1.6mol
則平衡時(shí)：c（SO₂）=0.04mol/L，c（O₂）=0.02mol/L，c（SO₃）=0.16mol/L，
K=$\frac{{c}^{2}（S{O}_{3}）}{{c}^{2}（S{O}_{2}）．c（{O}_{2}）}$=$\frac{0.16×0.16}{（0.04）^{2}×0.02}$=800，
故答案為：800；
③化學(xué)平衡常數(shù)只與溫度有關(guān)，溫度不變，化學(xué)平衡常數(shù)不變，A、B點(diǎn)溫度相同，所以平衡常數(shù)K（A）=K（B），故答案為：=；
④①S（s）+O₂（g）=SO₂（g）△H₁=-296 KJ•mol^-1，②SO₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=SO₃（g）△H₂=-99 kJ•mol^-1；
則利用蓋斯定律將①×3+②×3可得3 S（s）+$\frac{9}{2}$O₂（g）=3SO₃（g）△H₃=3×（△H₁+△H₂）=-1185 kJ•mol^-1，
故答案為：-1185；
II．（1）①CH₄（g）+4NO₂（g）=4NO（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-574kJ•mol^-1
②CH₄（g）+4NO（g）=2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-1160kJ•mol^-1
反應(yīng)$\frac{①+②}{2}$可知CH₄（g）+2NO₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（g）+N₂（g），1molCH₄反應(yīng)轉(zhuǎn)移8mol電子，4.48L甲烷的物質(zhì)的量是0.2mol，0.2mol甲烷發(fā)生氧化反應(yīng)時(shí)轉(zhuǎn)移電子物質(zhì)的量是1.6mol，轉(zhuǎn)移電子數(shù)為1.6N_A；
反應(yīng)$\frac{①+②}{2}$可知CH₄（g）+2NO₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（g）+N₂（g）△H=-867kJ/mol，標(biāo)準(zhǔn)狀況下4.48LCH₄其物質(zhì)的量為0.2mol，則放出的熱量為0.2mol×867kJ=173.4kJ，
故答案為：1.6N_A；173.4；
（2）根據(jù)圖知，t₂時(shí)改變條件，正逆反應(yīng)速率都增大，且平衡正向移動(dòng)，改變的條件為溫度；
圖中t₄時(shí)正逆反應(yīng)速率都增大，平衡逆向移動(dòng)，該反應(yīng)是反應(yīng)前后氣體體積增大的可逆反應(yīng)，所以改變的條件可能是壓強(qiáng)；
t₆時(shí)正逆反應(yīng)速率都增大但仍然相等，平衡不移動(dòng)，改變的條件是催化劑；要使CO的濃度最大，則平衡正向正反應(yīng)方向移動(dòng)而不向逆反應(yīng)方向移動(dòng)時(shí)，則平衡混合物中CO的含量最高的一段時(shí)間是t₃-t₄，
故答案為：增大壓強(qiáng)；t₃-t₄．

點(diǎn)評(píng) 本題考查化學(xué)平衡計(jì)算、化學(xué)平衡移動(dòng)影響因素、蓋斯定律有關(guān)計(jì)算等知識(shí)點(diǎn)，側(cè)重考查學(xué)生分析計(jì)算能力，難點(diǎn)是根據(jù)改變條件時(shí)正逆反應(yīng)速率變化及相對(duì)大小判斷反應(yīng)方向，題目難度中等．