Question

1．氨气是一种重要的化工原料，在很多方面具有重要用途． SNCR-SCR就是一种应用氨气作为原料的新型的烟气脱硝技术（除去烟气中的NO_x），其流程如图1：

（1）反应2NO+2CO?2CO₂+N₂能够自发进行，则该反应的△H＜0
（填“＞”或“＜”）．
（2）SNCR-SCR流程中发生的主要反应有：
4NO（g）+4NH₃（g）+O₂（g）?4N₂（g）+6H₂O（g）△H=-1627.2kJ•mol^-1；
6NO（g）+4NH₃（g）?5N₂（g）+6H₂O（g）△H=-1807.0kJ•mol^-1；
6NO₂（g）+8NH₃（g）?7N₂（g）+12H₂O（g）△H=-2659.9kJ•mol^-1；
反应N₂（g）+O₂（g）?2NO（g）的△H=+179.8kJ•mol^-1．
（3）NO和NH₃在Ag₂O催化剂表面的反应活性随温度的变化曲线见图2．

①由图可以看出，脱硝工艺流程应在有氧（填“有氧”或“无氧”）条件下进行．
②随着反应温度的进一步升高，在有氧的条件下NO的转化率明显下降的可能原因是温度升高，发生了副反应：4NH₃+5O₂═4NO+6H₂O或者温度升高，NO_x和NH₃反应的化学平衡向逆反应方向移动．
（4）实验室模拟工业制氨的过程，探究条件对平衡的影响．
Ⅰ．现有两容器，甲是容积可变的容器，乙是容积固定为2L的密闭容器，分别向甲、乙两容器中均充入N₂0.6mol，H₂0.5mol，在一定温度下进行N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）
△H=-92.4kJ/mol反应，t₁时达到平衡，甲容器中N₂的转化率为$\frac{1}{6}$，体积为1L．
①该温度时甲容器中平衡体系的平衡常数是10．
②若保持甲容器的温度和压强不变，向甲容器的平衡体系再中通入0.9mol N₂，则平衡将逆向（填“正向”、“逆向”或“不”）移动．
③若达平衡时要使甲、乙两容器中NH₃的体积分数相同，可以采取的措施是BD．
A．保持温度不变，将乙容器内的压强增加到原来的1.5倍
B．保持温度不变，向乙容器中再充入0.6mol N₂和0.5mol H₂
C．升高乙容器的温度
D．保持甲容器的体积为1L不变，升高甲容器的温度
Ⅱ．若改用图3装置针对氨的分解（2NH₃（g）?N₂（g）+3H₂（g））进行探究实验，其中P是可自由平行滑动的活塞．在相同温度时，向A容器中充入4mol NH₃（g），关闭K，向B容器中充入2molNH₃（g），两容器分别发生反应．
已知起始时容器A和B的体积均为aL．试回答：
①反应达到平衡时容器B的体积为1.2a L，容器B中NH₃转化率为20%．
②若打开K，一段时间后重新达到平衡，容器B的体积为2.6aL（连通管中气体体积忽略不计，且不考虑温度的影响）．

Answer 1

分析 （1）反应2NO+2CO?2CO₂+N₂是熵增的反应，△G=△H-T△S＜0反应自发进行；
（2）已知：①4NO（g）+4NH₃（g）+O₂（g）?4N₂（g）+6H₂O（g）△H=-1627.2kJ•mol^-1；
②6NO（g）+4NH₃（g）?5N₂（g）+6H₂O（g）△H=-1807.0kJ•mol^-1；
③6NO₂（g）+8NH₃（g）?7N₂（g）+12H₂O（g）△H=-2659.9kJ•mol^-1；
根据盖斯定律，①-②可得：N₂（g）+O₂（g）?2NO（g）；
（3）①从图上可知，有氧情况下，NO转化率高；
②反应4NO（g）+4NH₃（g）+O₂（g）?4N₂（g）+6H₂O（g）△H=-1627.2kJ•mol^-1是放热反应，升温平衡逆向移动，温度升高时还会发生氨气的催化氧化；
（4）Ⅰ．①t₁时达到平衡，甲容器中N₂的转化率为$\frac{1}{6}$，转化的氮气为0.1mol，则：
            N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）
起始量（mol）：0.6    0.5        0
变化量（mol）：0.1    0.3        0.2
平衡量（mol）：0.5    0.2        0.2
体积为1L，用物质的量代替浓度代入K=$\frac{{c}^{2}（N{H}_{3}）}{c（{N}_{2}）×{c}^{3}（{H}_{2}）}$计算；
②若保持甲容器的温度和压强不变，向甲容器的平衡体系再中通入0.9mol N₂，此时容器的容积为1L×$\frac{0.9mol+0.9mol}{0.9mol}$=2L，再计算浓度商Qc，与平衡常数比较判断；
③甲为恒温恒压，乙为恒温恒容，平衡时乙中压强减小，乙等效为在甲平衡基础压强减小，平衡逆向移动，则平衡时甲器中NH₃的体积分数较大，若达平衡时要使甲、乙两容器中NH₃的体积分数相同，二者为等效平衡．
A．保持温度不变，将乙的体积压缩到1L，即压强增大一倍，与甲平衡等效；
B．保持温度不变，向乙容器中再充入0.6mol N₂和0.5mol H₂，等效为开始加入1.2mol氮气、1mol氢气，进一步等效为乙中压强增大一倍；
C．反应是放热反应，升温平衡逆向进行，氨气体积分数更小；
D．保持甲容器的体积为1L不变，升高甲容器的温度，平衡逆向进行，可以达到和乙容器中氨气体积分数相同；
Ⅱ．①B为恒温恒压条件下，容器的容积与气体的物质的量成正比，反应达到平衡时容器B的体积为1.2a L，说明达到平衡时气体的物质的量为反应前的1.2倍，即平衡时混合气体的物质的量为2.4mol，设反应消耗的氨气为xmol，则：
           2NH₃（g）?N₂（g）+3H₂（g）
起始量（mol）：2        0       0
变化量（mol）：x        0.5x    1.5x
平衡量（mol）：2-x      0.5x    1.5x
则2-x+0.5x+1.5x=2.4，解得x=0.4，进而计算氨气的转化率；
②若打开K，一段时间后重新达到平衡，在恒温恒压条件下，与向B中通入6mol氨气达到的平衡为等效平衡，平衡时氨气的转化率不变，平衡时体积为通入2mol氨气平衡时体积的3倍．

解答 解：（1）反应2NO+2CO?2CO₂+N₂是熵增的反应，反应自发进行，△H-T△S＜0，则该反应的△H＜0，故答案为：＜；
（2）①4NO（g）+4NH₃（g）+O₂（g）?4N₂（g）+6H₂O（g）△H=-1627.2kJ•mol^-1；
②6NO（g）+4NH₃（g）?5N₂（g）+6H₂O（g）△H=-1807.0kJ•mol^-1；
③6NO₂（g）+8NH₃（g）?7N₂（g）+12H₂O（g）△H=-2659.9kJ•mol^-1；
依据盖斯定律①-②得到N₂（g）+O₂（g）?2NO（g）△H=+179.8kJ•mol^-1；
故答案为：+179.8；
（3）①从图上可知，有氧情况下，NO转化率高，故答案为：有氧；
②反应4NO（g）+4NH₃（g）+O₂（g）?4N₂（g）+6H₂O（g）△H=-1627.2kJ•mol^-1是放热反应，升温平衡逆向移动，温度升高时还会发生氨气的催化氧化，
故答案为：温度升高，发生了副反应：4NH₃+5O₂═4NO+6H₂O或者温度升高，NO_x和NH₃反应的化学平衡向逆反应方向移动；
（4）Ⅰ．①t₁时达到平衡，甲容器中N₂的转化率为$\frac{1}{6}$，转化的氮气为0.1mol，则：
           N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）
起始量（mol）：0.6   0.5        0
变化量（mol）：0.1   0.3        0.2
平衡量（mol）：0.5   0.2        0.2
体积为1L，可以用物质的量代替浓度计算平衡常数，则K=$\frac{{c}^{2}（N{H}_{3}）}{c（{N}_{2}）×{c}^{3}（{H}_{2}）}$=$\frac{0．{2}^{2}}{0.5×0．{2}^{3}}$=10，
故答案为：10；
②若保持甲容器的温度和压强不变，向甲容器的平衡体系再中通入0.9mol N₂，此时容器的容积为1L×$\frac{0.9mol+0.9mol}{0.9mol}$=2L，浓度商Qc=$\frac{（\frac{0.2}{2}）^{2}}{\frac{1.4}{2}×（\frac{0.2}{2}）^{3}}$=14.3＞10，平衡向逆反应进行，
故答案为：逆向；
③甲为恒温恒压，乙为恒温恒容，平衡时乙中压强减小，乙等效为在甲平衡基础压强减小，平衡逆向移动，则平衡时甲器中NH₃的体积分数较大，若达平衡时要使甲、乙两容器中NH₃的体积分数相同，二者为等效平衡．
A．保持温度不变，将乙的体积压缩到1L，即压强增大一倍，与甲平衡等效，若压强增加到原来的1.5倍，不是原平衡2倍，等效为再甲平衡基础上降低压强，平衡正向移动，氨气的体积分数比甲中大，故A错误；
B．保持温度不变，向乙容器中再充入0.6mol N₂和0.5mol H₂，等效为开始加入1.2mol氮气、1mol氢气，进一步等效为乙中压强增大一倍，与甲为等效平衡，故B正确；
C．反应是放热反应，升温平衡逆向进行，所以升高乙容器的温度，氨气体积分数更小；
D．保持甲容器的体积为1L不变，升高甲容器的温度，平衡逆向进行，可以达到和乙容器中氨气体积分数相同，故D正确，
故选：BD；
Ⅱ．①B为恒温恒压条件下，容器的容积与气体的物质的量成正比，反应达到平衡时容器B的体积为1.2a L，说明达到平衡时气体的物质的量为反应前的1.2倍，即平衡时混合气体的物质的量为2.4mol，设反应消耗的氨气为xmol，则：
           2NH₃（g）?N₂（g）+3H₂（g）
起始量（mol）：2        0       0
变化量（mol）：x        0.5x    1.5x
平衡量（mol）：2-x      0.5x    1.5x
则2-x+0.5x+1.5x=2.4，解得x=0.4，则氨气的转化率为$\frac{0.4mol}{2mol}$×100%=20%，
故答案为：20%；
②若打开K，一段时间后重新达到平衡，在恒温恒压条件下，与向B中通入6mol氨气达到的平衡为等效平衡，平衡时氨气的转化率不变，平衡时体积为通入2mol氨气平衡时体积的3倍，则平衡时总体积为1.2aL×3=3.6aL，故B的体积为3.6aL-aL=2.6aL，
故答案为：2.6a．

点评 本题考查化学平衡计算、化学平衡影响因素、等效平衡、反应热计算等，注意对等效平衡思想的理解应用，难度较大．