Question

工业燃烧煤、石油等化石燃料释放出大量氮氧化物(NO_x)、CO₂、SO₂等气体，严重污染空气。通过对废气进行脱硝、脱碳和脱硫处理可实现绿色环保、废物利用。

（1）已知：H₂的燃烧热为285.8 kJ·mol^－1   H₂O(g)＝H₂O(l)  ΔH＝－44 kJ/mol

N₂(g)＋2O₂(g)＝2NO₂(g)  ΔH＝＋133 kJ/mol

①在催化剂存在下，H₂还原NO₂生成水蒸气和另一种无毒物质的热化学方程式为：___________________________________。

②反应2NO₂(g )＝N₂(g)＋2O₂(g)，设起始时容器中只有NO₂，平衡时三种物质的物质的量与温度关系如图所示。

则A点时，NO₂的转化率为_______________。

B点时，设容器的总压为a Pa，则平衡常数K_p为____（用平衡分压代替平衡浓度计算，分压=总压×物质的量分数）。

（2）向2 L密闭容器中加入2 mol CO₂和6 mol H₂，在适当的催化剂作用下，下列反应能自发进行：CO₂(g)＋3H₂(g)CH₃OH(g) ＋H₂O(g)。

①该反应ΔH_______0（填“>”、“<”或“=”）

②下列叙述能说明此反应达到平衡状态的是____________。（填字母）

a.混合气体的平均相对分子质量保持不变

b.1 mol CO₂生成的同时有3 mol H—H键断裂

c.CO₂的转化率和H₂的转化率相等

d.混合气体的密度保持不变

③反应CO₂(g)＋3H₂(g)CH₃OH(g)＋H₂O(g)，在起始温度（T₁℃）、体积相同（2L）的两密闭容器中，改变条件，反应过程中部分数据见下表：

	反应时间	CO2/mol	H2/mol	CH3OH/mol	H2O/mol
反应Ⅰ：恒温恒容	0 min	2	6	0	0
10 min		4.5
20 min	1
30 min			1
反应Ⅱ：绝热恒容	0 min	0	0	2	2

反应Ⅰ，前10min内的平均反应速率v(CH₃OH)＝____________。达到平衡时，反应Ⅰ、Ⅱ对比：平衡常数K(I)____________K(II)（填“>”、“<”或“＝”）；平衡时CH₃OH的浓度c(I)____________c(II)（填“>”、“<”或“＝”）。

Answer

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的燃烧热为285.8kJ•mol-1，则H2(g)+O2(g)=H2O(l) △H=-285.8kJ•mol-1，又因为H2O(g)＝H2O(l) ΔH＝－44 kJ/mol，N2(g)＋2O2(g)＝2NO2(g) ΔH＝＋133kJ/mol，上述三个方程式分别标为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，根据盖斯定律，Ⅰ×4-Ⅱ×4-Ⅲ可得到在催化剂存在下H2还原NO2生成水蒸气和其它无毒物质的热化学方程式4H2(g)+2NO2(g)＝N2(g)+4H2O(g) △H＝-1100.2kJ•mol-1。②根据化学方程式及图示数据，A点时NO2是10mol，O2是10mol，N2是5mol，所以NO2初始物质的量是20mol，则NO2的转化率为50%；B点时NO2和N2物质的量相等，设为xmol，则O2是2xmol，因为容器的总压为a Pa，所以NO2和N2的分压都是a Pa，O2的分压是a Pa，则平衡常数Kp===a Pa。

（2）①由方程式可看出该反应∆S<0，因为反应能自发进行，所以∆H-T∆S<0，则∆H<0。②a项，混合气体的平均相对分子质量=气体总质量÷物质的量，该反应的反应物和生成物都是气体，物质的量变化，根据质量守恒定律，所以混合气体的平均相对分子质量变化，则当混合气体的平均相对分子质量保持不变时，达到了平衡状态，故a正确；b项，1molCO2生成同时有3molH-H键断裂，即消耗3molH2，根据化学反应方程式，能说明正逆反应速率相等，则达到了平衡状态，故b正确；c项，开始充入2molCO2和6molH2，投料比等于化学方程式系数比，CO2和H2的转化率始终相等，不能说明正逆反应速率相等，不一定达到平衡状态，故c错误；d项，混合气体的密度等于气体质量和体积的比值，反应前后质量守恒，体积不变，所以密度始终不变，密度保持不变时不一定是平衡状态，故d错误。③由表中数据可知，反应Ⅰ前10min内反应的H2为：(6-4.5)mol=1.5mol，根据化学方程式可得，生成CH3OH为：1.5mol÷3=0.5mol，前10min内的平均反应速率v(CH3OH)=0.5mol÷2L÷10min=0.025 mol•L-1•min-1；前面已知该反应∆H<0，为放热反应，又因为反应Ⅰ为恒温恒容条件，反应Ⅱ为绝热恒容条件，所以反应Ⅱ相当于升温，化学平衡常数减小，故K(I)>K(II)；反应Ⅱ中若把CH3OH和H2O(g)的初始物质的量全部转化为CO2和H2，与反应Ⅰ初始物质的量对应相等，但反应Ⅱ温度高于反应Ⅰ，所以反应Ⅱ相当于在和反应Ⅰ等效的基础上又升高温度，平衡逆向移动，故平衡时CH3OH的浓度c(I)>c(II)。