Question

4．二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)前的重要研究內(nèi)容之一．

Ⅰ．硫酸生產(chǎn)中，SO₂催化氧化生成SO₃：2SO₂（g）+O₂（g）$\frac{\underline{催化劑}}{△}$2SO₃（g）
某溫度下，SO₂的平衡轉(zhuǎn)化率（α）與體系總壓強（P）的關(guān)系如圖1所示．根據(jù)圖示回答下列問題：
①寫出該反應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù)表達式：K=$\frac{{c}^{3}（S{O}_{3}）}{{c}^{2}（S{O}_{2}）．c（{O}_{2}）}$．
②將2.0mol SO₂和1.0mol O₂置于10L密閉容器中，反應(yīng)達平衡后，體系總壓強為0.10MPa．該反應(yīng)的平衡常數(shù)等于800．
③平衡狀態(tài)由A變到B時．平衡常數(shù)K（A）=K（B）（填“＞”、“＜”或“=”）．
④已知單質(zhì)硫的燃燒熱為296KJ•mol^-1，1mol SO₂（g）氧化為1mol SO₃（g）的△H=-99kJ•mol^-1．計算由S（s）生成3molSO₃（g）的△H=-1185kJ•mol^-1．
Ⅱ．（1）用CH₄催化還原NO_x可以消除氮氧化物的污染．例如：
CH₄（g）+4NO₂（g）=4NO（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-574kJ•mol^-1
CH₄（g）+4NO（g）=2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-1160kJ•mol^-1
若用標準狀況下4.48L CH₄還原NO₂至N₂整個過程中轉(zhuǎn)移的電子總數(shù)為1.6N_A（阿伏加德羅常數(shù)的值用N_A表示），放出的熱量為：173.4kJ．
（2）氮化硅（Si₃N₄）是一種新型陶瓷材料，它可由石英與焦炭在高溫的氮氣流中，通過以下反應(yīng)制得：
3SiO₂（s）+6C（s）+2N₂（g）$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$Si₃N₄（s）+6CO（g）
達到平衡后，改變某一外界條件（不改變N₂、CO的量），反應(yīng)速率υ與時間t的關(guān)系如圖2．圖中t₄時引起平衡移動的條件可能是增大壓強；圖中表示平衡混合物中CO的含量最高的一段時間是t₃-t₄．

Answer 1

分析 I．①該反應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù)表達式：K=$\frac{{c}^{3}（S{O}_{3}）}{{c}^{2}（S{O}_{2}）．c（{O}_{2}）}$；
②反應(yīng)達平衡后，體系總壓強為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反應(yīng)混合物各組分的物質(zhì)的量，再計算平衡時反應(yīng)混合物各組分的平衡濃度，代入平衡常數(shù)表達式計算；
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)系計算放出的熱量；
（2）根據(jù)圖知，t₂時改變條件，正逆反應(yīng)速率都增大，且平衡正向移動，改變的條件為溫度；
圖中t₄時正逆反應(yīng)速率都增大，平衡逆向移動，改變的條件可能是壓強；
t₆時正逆反應(yīng)速率都增大但仍然相等，平衡不移動，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)方向移動而不向逆反應(yīng)方向移動時．

解答 解：I．①該反應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù)表達式：K=$\frac{{c}^{3}（S{O}_{3}）}{{c}^{2}（S{O}_{2}）．c（{O}_{2}）}$，故答案為：K=$\frac{{c}^{3}（S{O}_{3}）}{{c}^{2}（S{O}_{2}）．c（{O}_{2}）}$；
②由圖象知，體系總壓強為0.10MPa時SO₂的平衡轉(zhuǎn)化率為0.8，則
       2SO₂（g）+O₂（g）$\frac{\underline{催化劑}}{△}$2SO₃（g）
起始：2.0mol    1.0mol         0
轉(zhuǎn)化：1.6mol    0.8mol         1.6mol
平衡：0.4mol    0.2mol         1.6mol
則平衡時：c（SO₂）=0.04mol/L，c（O₂）=0.02mol/L，c（SO₃）=0.16mol/L，
K=$\frac{{c}^{3}（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，標準狀況下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時改變條件，正逆反應(yīng)速率都增大，且平衡正向移動，改變的條件為溫度；
圖中t₄時正逆反應(yīng)速率都增大，平衡逆向移動，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；
t₆時正逆反應(yīng)速率都增大但仍然相等，平衡不移動，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)方向移動而不向逆反應(yīng)方向移動時，則平衡混合物中CO的含量最高的一段時間是t₃-t₄，
故答案為：增大壓強；t₃-t₄．

點評 本題考查化學(xué)平衡計算、化學(xué)平衡移動影響因素、蓋斯定律有關(guān)計算等知識點，側(cè)重考查學(xué)生分析計算能力，難點是根據(jù)改變條件時正逆反應(yīng)速率變化及相對大小判斷反應(yīng)方向，題目難度中等．