Question

研究氮、硫、碳及其化合物的转化对于减少如雾霾、酸雨、酸雾等环境污染问题有重大意义。请回答下列问题：

（1）在一定条件下，CH₄可与NO₂反应生成对环境无污染的物质。

已知：①CH₄的燃烧热：∆H＝-890.3 kJ•mol^-1②N₂(g)＋2O₂(g)⇌2NO₂（g）∆H＝+67.0 kJ•mol^-1③H₂O(g)=H₂O(l)∆H＝-41.0 kJ•mol^-1，则CH₄(g)+2NO₂  (g) ⇌ CO₂+2H₂O (g)＋N₂(g)∆H＝___kJ•mol ^-1。

（2）活性炭也可用于处理汽车尾气中的NO。在2L恒容密闭容器中加入0.1000molNO和2.030mol固体活性炭，生成CO₂、N₂两种气体，在不同温度下测得平衡体系中各物质的物质的量如表所示：

①反应的正反应为________（填“吸热”或“放热”）反应。

②一定温度下，下列能说明该反应已达到平衡状态的是_______。

A. N₂与NO 的生成速率相等    B. 混合气体的密度保持不变

C.∆H 保持不变                D. 容器的总压强保持不变

③ 200 ℃时，平衡后向该容器中再充入0.1molNO，再次平衡后，NO的百分含量将______（填“增大”“减小”或“不变”）。

(3)SO₂经催化氧化可制取硫酸，在一定温度下，往一恒容密闭容器中以体积比2∶1，通入SO₂和O₂，测得容器内总压强在不同温度下与反应时间的关系如图所示。

图中C 点时，SO₂ 的转化率为________。

②其中C 点的正反应速率υ_C(正)与A点的逆反应速率υ_A(逆)的大小关系为：υ_C(正)____υ_A(逆)（填“>”、“<”或“＝”）。

（4）有人设想将CO按下列反应除去：2CO(g)=2C(s)＋O₂(g)∆H>0，请你分析该设想能否实现？_____（填“能”或“否”），依据是__________。

（5）利用人工光合作用，借助太阳能使CO₂和H₂O转化为HCOOH，如图所示，在催化剂b表面发生的电极反应为：___________。

Answer

-875.3 放热 B 不变 66% > 否 该反应正向：∆S<0、∆H>0，故∆G=∆H - T∆S>0，故该反应不能自发进行 CO2+2e-+2H+=HCOOH

【解析】

（1）利用盖斯定律计算反应热，①-②-③×2得：CH4(g)+2NO2 (g) ⇌ CO2+2H2O (g)＋N2(g) ∆H＝(-890.3 kJ•mol-1)-( +67.0 kJ•mol-1)-( -41.0 kJ•mol-1) ×2=-875.3 kJ•mol-1；

（2）①从图表中看出温度越高生成物物质的量越小，故该反应正反应是放热反应；

②判断2NO(g)+C(s)⇌CO2(g)+ N2(g)是否达到平衡，根据反应的特点和化学平衡的特征及标志分析；

③恒温恒容条件下，由于C是固体，再充入0.1molNO相当于增大压强，根据压强对化学平衡的影响分析；

（3）投料按化学计量数之比进行投料，在恒温、恒容的容器中，压强之比等于气体物质的量之比，求出转化率；根据图像分析A、C所处条件的不同进行判断；

（4）该反应正向：∆S<0、∆H>0，故∆G=∆H - T∆S>0，故该反应不能自发进行；

（5）利用人工光合作用，借助太阳能使CO2和H2O转化为HCOOH，根据电子的流向，催化剂b得电子，发生还原反应，电极反应式为：CO2+2e-+2H+=HCOOH。

（1）利用盖斯定律，①-②-③×2得：CH4(g)+2NO2 (g) ⇌ CO2+2H2O (g)＋N2(g) ∆H＝(-890.3 kJ•mol-1)-( +67.0 kJ•mol-1)-( -41.0 kJ•mol-1) ×2=-875.3 kJ•mol-1；

（2）①由图中信息可知：200℃时N2、CO2物质的量比335℃时大，升高温度平衡逆向移动，故该反应正反应是放热反应；

②A．根据反应2NO(g)+C(s)⇌CO2(g)+ N2(g)，N2与NO 的生成速率之比等于1:2时，反应达到平衡，A错误；

B．反应2NO(g)+C(s)⇌CO2(g)+ N2(g)中，C为固态，建立平衡的过程中，气体质量一直增加，当气体质量不变时，体积是恒定的，此时密度不变，即混合气体的密度保持不变说明反应达到平衡，B正确；

C．∆H的大小与是否达到平衡无关，C错误；

D．反应2NO(g)+C(s)⇌CO2(g)+ N2(g)，反应前后气体分子数不变的反应，当温度、容积不变时，反应无论是否平衡，压强不变，容器的总压强保持不变不能说明反应达到平衡状态，D错误；

答案选B。

③反应2NO(g)+C(s)⇌CO2(g)+ N2(g)，反应前后气体分子数不变的反应，200 ℃时，平衡后向该容器中再充入0.1molNO，由于C呈固态，相当于增大压强，平衡不移动，NO的转化率不变，NO的百分含量也将不变；

（3）① 2SO2(g)+ O2(g)⇌2SO3(g)，假设反应前通入SO2的物质的量为2amol，O2的物质的量为amol，平衡时SO2的转化率为x，因为SO2和O2投料比等于化学计量数之比，故SO2和O2的转化率相等，则平衡时：n(SO2)=2a (1-x) mol，n(O2)=a (1-x) mol，n(SO3)=2ax mol，在恒温、恒容的容器中，压强之比等于气体物质的量之比，即0.1:0.078=3a：(3a-ax)，解得x=66%；

② 根据图像，C所处曲线先达到平衡，故C点相比A点温度高，且产物的浓度大，C点已经达到平衡：υC(正)= υC(逆) > υA(逆)；

（4）该反应正向：∆S<0、∆H>0，故∆G=∆H - T∆S>0，故该反应不能自发进行；

（5）利用人工光合作用，借助太阳能使CO2和H2O转化为HCOOH，根据电子的流向，催化剂b得电子，发生还原反应，电极反应式为：CO2+2e-+2H+=HCOOH。