Question

6．氮氧化物（NO_x）、SO₂和CO₂等气体会造成环境问题．对燃煤废气进行化学方法处理，可实现绿色环保、节能减排、废物利用等目的．
（1）利用甲烷催化还原NO_x：
CH₄（g）+4NO₂（g）═4NO（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₁=-572kJ•mol^-1
CH₄（g）+4NO（g）═2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₂=-1160kJ•mol^-1
H₂O（l）═H₂O（g）△H₂=+44kJ•mol^-1
写出甲烷将NO₂还原为N₂并生成液态水时的热化学方程式CH₄（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-954kJ•mol^-1．
（2）工业上利用CO₂生成甲醇燃料，反应为：
CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49.0kJ•mol^-1
将6molCO₂和8molH₂充入容器为2L的密闭容器中（温度不变），H₂的物质的量随时间变化如图实线所示（图中字母后的数字表示对应坐标）．
①该反应在0～8min内CO₂的平均反应速率为0.125mol•L^-1•min^-1．
②列式计算此温度下该反应的平衡常数K=$\frac{1×1}{2×1^3}$=0.5．
③第12min后，保持温度不变，向该密闭容器中再充入1molCO₂（g）和3molH₂O（g），则v_正小于v_逆（填“大于”、“小于”或“等于”）．
④仅改变某一条件再进行实验，测得H₂物质的量变化如虚线所示．与实线相比，曲线Ⅰ改变的条件可能是升温，曲线Ⅱ改变的条件可能是加压．
（3）采用如图2装置将SO₂转化为重要化工原料．若A为SO₂，B为O₂，则A为负极，该极电极反应式为SO₂-2e^-+2H₂O=4H⁺+SO₄^2-．
（4）常温下，K_sp（BaCO₃）=2.5×10^-9，K_sp（BaSO₄）=1.0×10^-10，欲用1LNa₂CO₃溶液将0.01molBaSO₄转化为BaCO₃，则c（Na₂CO₃）≥0.26mol/L．

Answer 1

分析 （1）已知：①CH₄（g）+4NO₂（g）═4NO（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₁=-572kJ•mol^-1
②CH₄（g）+4NO（g）═2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₂=-1160kJ•mol^-1
③H₂O（l）═H₂O（g）△H₂=+44kJ•mol^-1，
根据盖斯定律：（①+②）÷2-③×2可得CH₄（g）+2NO₂（g）=N₂ （g）+CO₂（g）+2H₂O（l），据此计算；
（2）①从图象可知0～8min内H₂的物质的量反应了6mol，根据方程式，则0～8min内CO₂的物质的量变化为2mol，再由v=$\frac{△c}{△t}$计算；
②从图象可知反应在8min平衡，将6molCO₂和8molH₂充入容器为2L的密闭容器，列三段式：
                         CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）
起始（mol/L）：3               4              0                     0        
转化（mol/L）：1              3               1                     1
平衡（mol/L）：2               1                1                      1
根据化学平衡常数概念列式计算；
③计算向该密闭容器中再充入1molCO₂（g）和3molH₂O（g）的Qc，温度不变，K不变，与K比较，可得；
④曲线Ⅰ反应速率加快，平衡后的氢气比原平衡含量高，说明反应逆向移动，曲线Ⅱ反应速率加快，平衡时氢气含量降低，说明反应正向移动，结合影响化学平衡的因素分析可得；
（3）二氧化硫失电子和水反应生成硫酸根离子和氢离子，发生氧化反应，作负极；
（4）用1LNa₂CO₃溶液将0.01molBaSO₄发生反应为：CO₃^2-+BaSO₄?BaCO₃+SO₄^2-，计算该反应的平衡常数K，0.01molBaSO₄完全溶解生成n（SO₄^2-）=0.01mol，c（SO₄^2-）=0.01mol/L，结合溶解平衡表达式计算出碳酸钠的浓度．

解答 解：（1）已知：①CH₄（g）+4NO₂（g）═4NO（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₁=-572kJ•mol^-1
②CH₄（g）+4NO（g）═2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₂=-1160kJ•mol^-1
③H₂O（l）═H₂O（g）△H₂=+44kJ•mol^-1，
根据盖斯定律：（①+②）÷2-③×2可得CH₄（g）+2NO₂（g）=N₂ （g）+CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-954kJ•mol^-1；
故答案为：CH₄（g）+2NO₂（g）=N₂ （g）+CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-954kJ•mol^-1；
（2）①从图象可知0～8min内H₂的物质的量反应了6mol，根据方程式，则0～8min内CO₂的物质的量变化为2mol，所以0～8min内CO₂的平均反应速率为$\frac{2mol÷2l}{8min}$=0.125 mol•L^-1•min^-1；
故答案为：0.125 mol•L^-1•min^-1；
②从图象可知反应在8min平衡，将6molCO₂和8molH₂充入容器为2L的密闭容器，列三段式：
                         CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）
起始（mol/L）：3               4              0                     0        
转化（mol/L）：1              3               1                     1
平衡（mol/L）：2               1                1                      1
则化学平衡常数K=$\frac{1×1}{2×1^3}$=0.5；
故答案为：K=$\frac{1×1}{2×1^3}$=0.5；
③向该密闭容器中再充入1molCO₂（g）和3molH₂O（g），则此时Qc=$\frac{1.5×1}{2.5×1^3}$=0.6＞K，则反应向着逆方向进行，v_正＜v_逆；
故答案为：小于；      
④曲线Ⅰ反应速率加快，平衡后的氢气比原平衡含量高，说明反应逆向移动，曲线Ⅱ反应速率加快，平衡时氢气含量降低，说明反应正向移动，反应速率加快且平衡发生移动的有升温和加压，反应是个放热、气体体积减小的反应，升高温度，平衡逆向移动，符合Ⅰ，增大压强，平衡正向移动，符合Ⅱ；
故答案为：升温； 加压；
（3）二氧化硫失电子和水反应生成硫酸根离子和氢离子，发生氧化反应，作负极，电极反应式为：SO₂-2e^-+2H₂O=4H⁺+SO₄^2-；
故答案为：负；SO₂-2e^-+2H₂O=4H⁺+SO₄^2-；
（4）碳酸钠与硫酸钡反应转化成碳酸钡的反应为：CO₃^2-+BaSO₄?BaCO₃+SO₄^2-，
该反应的平衡常数为：K=$\frac{c（S{{O}_{4}}^{2-}）}{c（C{{O}_{3}}^{2-}）}$=$\frac{Ksp（BaS{O}_{4}）}{Ksp（BaC{O}_{3}）}$=$\frac{1×1{0}^{-10}}{2.5×1{0}^{-9}}$=0.04，0.01molBaSO₄完全溶解生成n（SO₄^2-）=0.01mol，c（SO₄^2-）=0.01mol/L，设至少需要的c（Na₂CO₃）为x，
             CO₃^2-+BaSO₄?BaCO₃+SO₄^2-，
起始：x                                       0
平衡：x-0.01                               0.01
则有：K=$\frac{0.01}{x-0.01}$=0.04，解得x=0.26mol/L；
故答案为：0.26 mol/L．

点评 本题考查了盖斯定律，化学平衡的有关计算及影响化学平衡的因素，溶度积常数的应用，题目综合性较强，要求学生对基础知识的灵活运用，（4）题难度较大．