Question

雾霾天气严重影响人们的生活，其中氮氧化物是造成雾霾天气的主要原因之一。

I.消除氮氧化物有多种方法：

(1)用CH₄催化还原氮氧化物可以消除氮氧化物的污染。

己知：

①CH₄(g)＋4NO₂(g)＝4NO(g)＋CO₂(g)＋2H₂O(g)   △H＝－574 kJ/mol

②CH₄(g)＋4NO(g)＝2N₂(g)＋CO₂(g)＋2H₂O(g)   △H＝－1160 kJ/mol

③H₂O(g)＝H₂O(l)   △H＝－44.0 kJ/mol

写出CH₄(g)与NO₂(g)反应生成N₂(g)，CO₂(g)和H₂O(l)的热化学方程式______。

(2)催化还原氮氧化物(SCR)技术是目前应用最广泛的烟气氮氧化物脱除技术，反应原理如图所示：

①由图甲可知，SCR技术中的氧化剂为______。

②图乙是不同催化剂Mn和Cr在不同温度下对应的脱氮率，由图可知工业使用的最佳的催化剂和相应的温度分别为______。

II.氮氧化物的相互转化

(3)T₁℃时，在一密闭容器中发生反应4NO(g)N₂(g)＋2NO₂(g)   △H<0，其正反应速率表达式为：v_正＝k_正·cⁿ(NO)，测得反应速率和浓度的关系如下表。

则k_正＝______mo1^－3·L³·s^－1。下列对于该反应的说法正确的是______。

A.当混合物颜色保持不变时就达到了化学平衡状态

B.当的比值保持不变时就达到了化学平衡状态

C.达到化学平衡状态时，每消耗0.l mo1 NO就会消耗NO₂ 0.05 mol

D.达到平衡后，若降低温度，则混合气体的颜色变浅

E.达到平衡后，若减小压强，则混合气体的平均相对分子质量将减小

(4)利用测压法在刚性密闭容器中研究T₂℃时4NO(g)N₂(g)＋2NO₂(g)的分解反应，现将一定量的NO充入该密闭容器中，测得体系的总压强随时间的变化如下表所示：

①20min时，NO的转化率为______。

②T₂℃时，用平衡分压代替平衡浓度表示的平衡常数K_p＝______MPa^－1。[己知：气体分压(P_分)＝气体总压(P_总)×体积分数]

Answer

CH4(g)+2NO2(g)=N2(g)+CO2(g)+2H2O(l)△H=−955 kJ⋅mol−1 NO、NO2 Mn、200℃左右 4×10−5 ACE 60% 0.8

【解析】

I. (1)根据盖斯定律计算得到所需热化学方程式，标注物质聚集状态和对应反应焓变；

(2)①得电子化合价降低的反应物是氧化剂；

②温度越高，对设备的要求越高，所以如果催化剂在较低温度下能较大程度的脱氢即可；

II. (3) v正=k正∙cn（NO），②÷①得到n，将n代入①中得k正；根据反应达到平衡状态的特征及平衡时变量变为不变量进行分析；

(4)①气体压强之比等于全天候物质的量之比，结合三行计算列式计算；

②结合三行计算列式计算，Kp=。

I. (1)已知:①CH4(g)+4NO2(g)═4NO(g)+CO2(g)+2H2O(g) △H=−574kJ⋅mol−l

②CH4(g)+4NO(g)═2N2(g)+CO2(g)+2H2O(g) △H=−1160kJ⋅mol−l

③H2O(g)═H2O(l) △H=−44.0kJ⋅mol−l

依据盖斯定律计算(①+②+③×4)×得到CH4(g)与NO2(g)反应生成N2(g)、CO2(g)和H2O(l)的热化学方程式：CH4(g)+2NO2(g)=N2(g)+CO2(g)+2H2O(l) △H=−955 kJ⋅mol−1；

(2)①根据图象知,反应物是NO、NO2和NH3，生成物是N2和H2O,氮氧化物中N元素化合价由正化合价变为0价、氨气中N元素化合价由−3价变为0价，所以氧化剂是NO、NO2；

②根据图象知，脱氢率越高越好，但Cr作催化剂时温度高于Mn，温度越高，对设备要求越高，增大生产成本，且脱氢率增大较小，所以使用Mn作催化剂较好；根据图象知，在温度为200−250℃或范围内间任意温度，脱氢率较高；

II.(3)②÷①得到n，=，n=4，带入实验①得到v正=k正⋅cn(NO)=4.00×10−9×(0.10)4=4×10−5 mo1－3·L3·s－1；

A．该反应反应前无颜色，反应后有颜色，当混合物颜色保持不变时就达到了化学平衡状态，故A正确；

B．N2和NO2都是生成物，在反应过程中始终按1:2关系生成， 的比值始终保持不变，不能判断化学平衡状态，故B错误；

C．达到化学平衡状态时，各组分的含量保持不变，每消耗0.l mo1 NO就会消耗NO2 0.05 mol，故C正确；

D．△H<0，该反应为放热反应，达到平衡后，若降低温度，平衡正向移动，则混合气体的颜色变深，故D错误；

E．反应正向为气体体积减小的反应，达到平衡后，若减小压强，反应向气体体积增大的方向移动，即向逆向移动，反应过程中气体的总质量不变，逆向进行时，气体的物质的量增大，则混合气体的平均相对分子质量将减小，故E正确；

答案选ACE；

(4)①T2℃时，设起始量NO为4mol，20min时，反应生成氮气物质的量为x，列“三段式”：

气体压强之比等于气体物质的量之比，=，x=0.6mol，20min时，NO的转化率α=×100%=60%；

②设起始量NO为4mol，平衡状态反应生成氮气物质的量为y，列“三段式”：

气体压强之比等于气体物质的量之比=，y=0.8mol，平衡时气体总物质的量=4-x=3.2mol，NO物质的量=4mol−4×0.8mol=0.8mol，N2物质的量0.8mol，NO2物质的量1.6mol，Kp==0.8。