Question

9．碳、氮及其化合物在工农业生产生活中有着重要作用．请回答下列问题：
（1）用CH₄催化还原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）△H₁=-574kJ•mol^-1
CH₄（g）+4NO（g）=2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₂
若2mol CH₄还原NO₂至N₂，整个过程中放出的热量为1734kJ，则△H₂=-1160kJ•mol^-1；
（2）据报道，科学家在一定条件下利用Fe₂O₃与甲烷反应可制取“纳米级”的金属铁．其反应如下：Fe₂O₃（s）+3CH₄（g）?2Fe（s）+3CO（g）+6H₂（g）△H＞0
①若反应在5L的密闭容器中进行，1min后达到平衡，测得Fe₂O₃在反应中质量减少3.2g．则该段时间内CO的平均反应速率为0.012mol/（L•min）；．
②若该反应在恒温恒压容器中进行，能表明该反应达到平衡状态的是bd（选填序号）
a．CH₄的转化率等于CO的产率
b．混合气体的平均相对分子质量不变
c．v（CO）与v（H₂）的比值不变
d．固体的总质量不变
③该反应达到平衡时某物理量随温度变化如图1所示，当温度由T₁升高到T₂时，平衡常数K_A＜K_B（填“＞”、“＜”或“=”）．纵坐标可以表示的物理量有哪些b．
a．H₂的逆反应速率      b．CH₄的体积分数c．混合气体的平均相对分子质量             
（3）若往20mL 0.0lmol•L^-l的弱酸HNO₂溶液中逐滴加入一定浓度的烧碱溶液，测得混合溶液的温度变化如右图所示，下列有关说法正确的是②③
①该烧碱溶液的浓度为0.02mol•L^-1
②该烧碱溶液的浓度为0.01mol•L^-1
③HNO₂的电离平衡常数：b点＞a点
④从b点到c点，混合溶液中一直存在：c（Na⁺）＞c（NO${\;}_{2}^{-}$）＞c（OH^-）＞c（H⁺）

Answer 1

分析 （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）△H₂
根据盖斯定律，①+②可得：2CH₄（g）+4NO₂（g）═2N₂（g）+2CO₂（g）+4H₂O（g），则△H=（△H₁+△H₂）；
（2）①参加反应Fe₂O₃为$\frac{3.2g}{160g/mol}$=0.02mol，由方程式可知生成CO为0.02mol×3=0.06mol，再根据v=$\frac{△c}{△t}$计算v（CO）；
②可逆反应到达平衡时，同种物质的正逆速率相等，各组分的浓度、含量保持不变，由此衍生的其它一些量不变，判断平衡的物理量应随反应进行发生变化，该物理量由变化到不变化说明到达平衡；
③正反应为吸热反应，升高温度平衡正向移动，平衡常数增大；
a．升高温度反应速率加快，
b．混合气体总物质的量增大，甲烷物质的量减小；
c．由方程式可知，气体质量增大48g时，混合气体总物质的量增大6mol；
（3）①②HNO₂是弱酸，次氯酸电离是吸热反应，酸碱中和反应是放热反应，当恰好完全中和时放出热量最多，据此确定c（NaOH）；
③电离吸热，温度越高电离平衡常数越大；
④当c（NaOH）较大时，可能出现：c（Na⁺）＞c（OH^-）＞c（NO₂^-）＞c（H⁺）．

解答 解：（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）△H₂
根据盖斯定律，①+②可得：2CH₄（g）+4NO₂（g）═2N₂（g）+2CO₂（g）+4H₂O（g），则△H=（△H₁+△H₂），而2mol CH₄还原NO₂至N₂，整个过程中放出的热量为1734kJ，则△H₂=-1734kJ•mol^-1+574kJ•mol^-1=-1160 kJ•mol^-1，
故答案为：-1160kJ•mol^-1；
（2）①若反应在5L的密闭容器中进行，1min后达到平衡，测得Fe₂O₃在反应中质量减少3.2g，参加反应Fe₂O₃为$\frac{3.2g}{160g/mol}$=0.02mol，由方程式可知生成CO为0.02mol×3=0.06mol，则v（CO）=$\frac{\frac{0.06mol}{5L}}{1min}$=0.012mol/（L•min）；
故答案为：0.012mol/（L•min）；
②a．甲烷的转化率一定大于CO的产率，与是否达到平衡状态无关，故a错误；
b．反应前后气体的物质的量和质量都不同，所以混合气体的平均相对分子质量不变说明反应达到平衡状态，故b正确；
c．未指明正逆速率，不能说明反应达到平衡状态，故c错误；
d．固体的总质量不变，说明反应达到平衡状态，故d正确；
故答案为：bd；
③正反应为吸热反应，升高温度平衡正向移动，平衡常数增大，故K_A＜K_B；
a．H₂的逆反应速率随温度的升高而增大，故a错误；
b．升温平衡正向移动，CH₄的体积分数减小，故b正确；
c．升温平衡正向移动，由方程式可知，气体质量增大48g时，混合气体总物质的量增大6mol，混合气体的平均相对分子质量增大，故c错误；
故答案为：＜；b；
（3）①HNO₂是弱酸，次氯酸电离是吸热反应，酸碱中和反应是放热反应，当恰好完全中和时放出热量最多，c（NaOH）=$\frac{0.02L×0.01mol/L}{0.02L}$=0.01mol/L，故①错误，
②由①分析可知，c（NaOH）=$\frac{0.02L×0.01mol/L}{0.02L}$=0.01mol/L，故②正确；
③电离吸热，温度越高电离平衡常数越大，所以HNO₂的电离平衡常数：b点＞a点，故③正确；
④从b点到c点，当C（NaOH）较大时，可能出现：c（Na⁺）＞c（OH^-）＞c（NO₂^-）＞c（H⁺），故④错误；
故选：②③．

点评 本题考查反应热计算、化学平衡状态判断、反应速率计算、化学平衡图象、弱电解质电离、离子浓度大小比较等，综合性较强，需要学生具备扎实的基础与分析解决问题的能力，难度度大．