Question

(14分)2014年10月初，霧霾天氣多次肆虐河北、天津、北京等地區。其中，燃煤和汽車尾氣是造成空氣污染的原因之一。
（1）汽車尾氣凈化的主要原理為：2NO(g) + 2CO(g)2CO₂(g)+ N₂(g)。△H＜0
①該反應的平衡常數表達式                                                           。
②若該反應在絕熱、恒容的密閉體系中進行，下列示意圖正確且能說明反應在進行到t₁時刻達到平衡狀態的是                                   （填代號）。

（2）直接排放煤燃燒產生的煙氣會引起嚴重的環境問題。煤燃燒產生的煙氣含氮的氧化物，用CH₄催化還原NO_x可以消除氮氧化物的污染。
已知：CH₄(g)+2NO₂(g)＝N₂(g)＋CO₂(g)+2H₂O(g) △H＝－867 kJ/mol
2NO₂(g)N₂O₄(g)  △H＝－56.9 kJ/mol
H₂O(g) ＝ H₂O(l)  ΔH ＝ －44.0 kJ／mol
寫出CH₄催化還原N₂O₄(g)生成N₂和H₂O(l)的熱化學方程式：                            。
（3）在一定條件下，也可以用NH₃處理NO_x。已知NO與NH₃發生反應生成N₂和H₂O，現有NO和NH₃的混合物1mol，充分反應后得到的還原產物比氧化產物多1.4 g，則原反應混合物中NO的物質的量可能是_____________。
（4）以甲烷為原料制取氫氣是工業上常用的制氫方法。則2 molCH₄與足量H₂O（g）反應最多可生成_______mol H₂，寫出該反應的化學方程式_________________________________________________。
(5)上述方法制得的H₂可以和CO在一定條件下合成甲醇和二甲醚（CH₃OCH₃）及許多烴類物質。當兩者以物質的量1:1催化反應，其原子利用率達100%，合成的物質可能是                     。
a.汽油        b.甲醇           c.甲醛            d.乙酸

Answer 1

（1）①K＝（2分） ②bd （2分）
（2）CH₄(g)+N₂O₄(g)＝N₂(g) +2H₂O(l) + CO₂(g) △H＝—898.1kJ/mol （2分）
（3）0.3mol或0.8mol（2分）
（4）8 mol （2分） CH₄（g）+2 H₂O（g）＝ CO₂（g）+4H₂（g）（2分） （5）c（2分）

試題分析：（1）①化學平衡常數是在一定條件下，當可逆反應達到平衡狀態時，生成物濃度的冪之積和反應物濃度的冪之積的比值，因此根據反應式2NO(g) + 2CO(g)2CO₂(g)+ N₂(g)可知，該反應的平衡常數表達式K＝。
②a、到達平衡后正、逆速率相等，不再變化，t₁時刻V_正最大，之后隨反應進行速率發生變化，未到達平衡，故a錯誤；b、該反應正反應為放熱反應，隨反應進行溫度升高，化學平衡常數減小，到達平衡后，溫度為定值，達最高，平衡常數不變，為最小，圖象與實際符合，故b正確；c、t₁時刻后二氧化碳、NO的物質的量發生變化，t₁時刻未到達平衡狀態，故c錯誤；d、隨著反應的進行，NO的質量分數逐漸減小。t₁時刻NO的質量分數為定值，不再發生變化，說明反應處于平衡狀態，故d正確，答案選bd。
（2）根據反應①CH₄(g)+2NO₂(g)＝N₂(g)＋CO₂(g)+2H₂O(g)　△H＝－867 kJ/mol、
②2NO₂(g)N₂O₄(g)  △H＝－56.9 kJ/mol、③H₂O(g) ＝ H₂O(l)  △H ＝ －44.0 kJ／mol并依據蓋斯定律可知，①－②＋③×2即得到反應CH₄(g)+N₂O₄(g)＝N₂(g) +2H₂O(g) + CO₂(l) ，所以該反應的反應熱△H＝－867 kJ/mol＋56.9 kJ/mol－44.0 kJ／mol×2＝—898.1kJ/mol。
（3）氨氣與NO反應的化學方程式為6NO＋4NH₃=5N₂＋6H₂O，其中氨氣是還原劑，NO是氧化劑，則氮氣既是氧化產物，也是還原產物，還原產物比氧化產物多1mol，質量是28g，則
6NO＋4NH₃=5N₂＋6H₂O   還原產物比氧化產物多
6mol  4mol                       28g
0.3mol 0.2mol                      1.4g
所以如果NO過量，則原反應混合物中NO的物質的量是1.0mol－0.2mol＝0.8mol
如果氨氣過量，則原反應混合物中NO的物質的量是0.3mol
（4）CH₄與足量H₂O（g）反應要產生最多的氫氣，則為生成物應該是氫氣和CO₂，反應的化學方程式為CH₄（g）+2 H₂O（g）＝ CO₂（g）+4H₂（g），.所以2mol甲烷與足量水蒸氣反應最多生成8mol氫氣。
（5）當H₂和CO以物質的量1:1催化反應，其原子利用率達100%時，根據原子守恒可知生成物的化學式應該是CH₂O，該物質是甲醛，答案選c。