Question

9．燃煤廢氣中的氮氧化物（NO_x）、二氧化碳等氣體，常用下列方法處理，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、廢物利用等．
（1）對(duì)燃煤廢氣進(jìn)行脫硝處理時(shí)，常利用甲烷催化還原氮氧化物：
①CH₄ （g）+4NO₂（g）═4NO（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-570kJ•mol^-1
②CH₄（g）+4NO（g）═2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-1160kJ•mol^-1
則CH₄ （g）+2NO₂（g）═N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-865 kJ•mol^-1．
（2）將燃煤廢氣中的CO₂轉(zhuǎn)化為甲醚的反應(yīng)原理為：2CO₂（g）+6H₂（g）$\stackrel{催化劑}{?}$CH₃OCH₃（g）+3H₂O（g）
已知在壓強(qiáng)為a MPa下，該反應(yīng)在不同溫度、不同投料比時(shí)，CO₂的轉(zhuǎn)化率見如圖：
①此反應(yīng)為放熱（填“放熱”、“吸熱”）；若溫度不變，提高投料比[$\frac{n（{H}_{2}）}{n（C{O}_{2}）}$]，則K將不變（填“增大”、“減小”或“不變”）．
②在a MPa和一定溫度下，將6mol H₂和2mol CO₂在2L密閉容器中混合，當(dāng)該反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)，測(cè)得平衡混合氣中CH₃OCH₃的體積分?jǐn)?shù)約為16.7%（即$\frac{1}{6}$），此時(shí)CO₂的轉(zhuǎn)化率為80%
（3）將不同量的CO（g）和H₂O（g）分別通入到體積為2L的恒容密閉容器中，進(jìn)行反應(yīng)
CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g），得到如下三組數(shù)據(jù)：

實(shí) 驗(yàn) 組	溫 度 /℃	起始量/mol		平衡量/mol		達(dá)到平衡所需時(shí)間/min
		H2O	CO	H2	CO
1	650	2	4	1.6	2.4	5
2	900	1	2	0.4	1.6	3
3	900	a	b	c	d	t

①650℃時(shí)該反應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù)數(shù)值為$\frac{8}{3}$，該反應(yīng)的逆反應(yīng)為放（填“吸”或“放”）熱反應(yīng)
②若實(shí)驗(yàn)3要達(dá)到與實(shí)驗(yàn)2相同的平衡狀態(tài)（即各物質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別相等），且t＜3min，則a、b應(yīng)滿足的關(guān)系是b=2a，a＞1（用含a、b的數(shù)學(xué)式表示）．

Answer 1

分析 （1）根據(jù)蓋斯定律兩式相加，可得2CH₄（g）+4NO₂（g）=2N₂（g）+2CO₂（g）+4H₂O（g）△H=-1730 kJ/mol，所以CH₄（g）+NO₂（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-865 kJ/mol；
（2）①根據(jù)溫度和二氧化碳的轉(zhuǎn)化率以及平衡移動(dòng)之間的關(guān)系來(lái)回答；平衡常數(shù)和溫度有關(guān)，和物質(zhì)的濃度之間沒有聯(lián)系；
②根據(jù)平衡狀態(tài)的判斷知識(shí)以及三行式來(lái)計(jì)算物質(zhì)的轉(zhuǎn)化率；
（3）①根據(jù)平衡常數(shù)表達(dá)式K=$\frac{c（CO{\;}_{2}）×c（H{\;}_{2}）}{c（CO）×c（H{\;}_{2}O）}$計(jì)算650℃、900℃的平衡常數(shù)，判斷升高溫度平衡的移動(dòng)方向，根據(jù)溫度對(duì)平衡移動(dòng)影響判斷；
②使實(shí)驗(yàn)3達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)各物質(zhì)的體積分?jǐn)?shù)與實(shí)驗(yàn)2分別相等，為等效平衡，該反應(yīng)為反應(yīng)前后氣體的體積不發(fā)生變化，滿足n（H₂O）：n（CO）=1：2即可，又t＜3min，所以反應(yīng)速率實(shí)驗(yàn)3比實(shí)驗(yàn)2快，所以a＞1．

解答 解：（1）因蓋斯定律，不管化學(xué)反應(yīng)是一步完成還是分幾步完成，其反應(yīng)熱是相同的．兩式相加，可得2CH₄（g）+4NO₂（g）=2N₂（g）+2CO₂（g）+4H₂O（g）△H=-1730 kJ/mol，所以CH₄（g）+NO₂（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-865 kJ/mol，
故答案為：-865 kJ•mol^-1；
（2）①根據(jù)圖示知道，溫度越高，二氧化碳的轉(zhuǎn)化率越小，平衡逆向移動(dòng)，所以反應(yīng)是放熱的，平衡常數(shù)和溫度有關(guān)，溫度不變，K不會(huì)改變，
故答案為：放熱；不變；
②設(shè)：CO₂的轉(zhuǎn)化率是x，則
  2CO₂（g）+6H₂（g）$\stackrel{催化劑}{?}$CH₃OCH₃（g）+3H₂O（g）
初始濃度：1 3 0 0
變化濃度：x 3x 0.5x 1.5x
平衡濃度：1-x 3-3x 0.5x 1.5x
$\frac{0.5x}{1-x+3-3x+0.5x+1.5x}$=$\frac{1}{6}$，解得x=0.8，所以CO₂的轉(zhuǎn)化率是$\frac{0.8}{1}$×100%=80%．
故答案為：80%；
（3）①650℃CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）
開始（mol）：4  2  0 0
轉(zhuǎn)化（mol）：1.6 1.6 1.6 1.6
平衡（mol）：2.4 0.4 1.6 1.6
反應(yīng)前后氣體的化學(xué)計(jì)量數(shù)不變，用物質(zhì)的量代替濃度計(jì)算平衡常數(shù)，故650℃平衡常數(shù)表達(dá)式K=$\frac{c（CO{\;}_{2}）×c（H{\;}_{2}）}{c（CO）×c（H{\;}_{2}O）}$=$\frac{1.6×1.6}{2.4×0.4}$=$\frac{8}{3}$；
900℃CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）
開始（mol）：2 1 0 0
轉(zhuǎn)化（mol）：0.4 0.4 0.4 0.4
平衡（mol）：1.6 0.6 0.4 0.4
反應(yīng)前后氣體的化學(xué)計(jì)量數(shù)不變，用物質(zhì)的量代替濃度計(jì)算平衡常數(shù)，故900℃平衡常數(shù)表達(dá)式K=$\frac{c（CO{\;}_{2}）×c（H{\;}_{2}）}{c（CO）×c（H{\;}_{2}O）}$=$\frac{0.4×0.4}{1.6×0.6}$=$\frac{1}{6}$；
升高溫度平衡常數(shù)減小，即升高溫度平衡向逆反應(yīng)移動(dòng)，升高溫度向吸熱反應(yīng)移動(dòng)，故正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，
故答案為：$\frac{8}{3}$；放；
②使實(shí)驗(yàn)3達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)各物質(zhì)的體積分?jǐn)?shù)與實(shí)驗(yàn)2分別相等，為等效平衡，該反應(yīng)為反應(yīng)前后氣體的體積不發(fā)生變化，滿足n（H₂O）：n（CO）=1：2即可，即b=2a，又t＜3min，所以反應(yīng)速率實(shí)驗(yàn)3比實(shí)驗(yàn)2快，所以a＞1，故答案為：b=2a，a＞1．

點(diǎn)評(píng) 本題考查了蓋斯定律的應(yīng)用、影響平衡移動(dòng)及平衡常數(shù)的因素、化學(xué)平衡的有關(guān)計(jì)算，側(cè)重于反應(yīng)原理的應(yīng)用的考查，題目難度中等．