Question

9．2015年12月杭州多日被霧霾籠罩，有報道稱霧霾顆粒中汽車尾氣占20%以上．已知汽車尾氣中的主要污染物為NOx、CO、燃燒源超細(xì)顆粒（PM2.5）等有害物質(zhì)．目前，已研究出了多種消除汽車尾氣污染的方法．
Ⅰ．在汽車尾氣系統(tǒng)中裝置催化轉(zhuǎn)化器，可有效降低NO_X的排放．已知：
N₂（g）+O₂（g）═2NO（g）△H=+180.5kJ•mol^-1
2C（s）+O₂（g）═2CO（g）△H=-221.0kJ•mol^-1
C（s）+O₂（g）═CO₂（g）△H=-393.5kJ•mol^-1
（1）NO_x能形成酸雨，寫出NO₂轉(zhuǎn)化為HNO₃的化學(xué)方程式：4NO₂+O₂+2H₂O═4HNO₃．
（2）尾氣轉(zhuǎn)化的反應(yīng)之一：2NO（g）+2CO（g）═N₂（g）+2CO₂（g）△H=-746.5KJ/mol．
（3）已知：N₂、O₂分子中化學(xué)鍵的鍵能分別是946kJ•mol^-1、497kJ•mol^-1，則NO分子中化學(xué)鍵的鍵能為631.5kJ•mol^-1．
（4）當(dāng)質(zhì)量一定時，增大固體催化劑的表面積可提高化學(xué)反應(yīng)速率．如圖1表示在其他條件不變時，反應(yīng)：2NO（g）+2CO（g）?2CO₂（g）+N₂（g） 中NO的濃度[c（NO）]隨溫度（T）、催化劑表面積（S）和時間（t）的變化曲線．若催化劑的表面積S₁＞S₂，在圖1中畫出c（NO） 在T₁、S₂條件下達到平衡過程中的變化曲線．
Ⅱ．還原法．用活性炭還原法處理氮氧化物．有關(guān)反應(yīng)為：C（s）+2NO（g）?N₂（g）+CO₂（g）△H．某研究小組向某密閉容器加入一定量的活性炭和NO，恒溫（T₁℃）條件下反應(yīng)，反應(yīng)進行到不同時間測得各物質(zhì)的濃度如下：

濃度/mol•L-1 時間/min	NO	N2	CO2
0	0.100	0	0
10	0.058	0.021	0.021
20	0.040	0.030	0.030
30	0.040	0.030	0.030
40	0.032	0.034	0.017
50	0.032	0.034	0.017

（1）T₁℃時，該反應(yīng)的平衡常數(shù)K=0.56（保留兩位小數(shù)）．
（2）30min后，改變某一條件，反應(yīng)重新達到平衡，則改變的條件可能是減小CO₂的濃度．
（3）若30min后升高溫度至T₂℃，達到平衡時，容器中NO、N₂、CO₂的濃度之比為 5：3：3，則該反應(yīng)的△H＜0（填“＞”、“=”或“＜”）．
Ⅲ．變廢為寶．
（1）CO可用于合成CH₃OH，反應(yīng)方程式為：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g），在一定溫度壓強下（甲醇為氣體），在容積為2L的密閉容器中通入0.2molCO與0.4molH₂，達平衡時CO的轉(zhuǎn)化率50%，再加入1.0molCO后重新達到平衡，則CO的轉(zhuǎn)化率減�。ㄌ睢霸龃蟆�、“不變”或“減小”）；
（2）通過NO_x傳感器可監(jiān)測NO_x的含量，其工作原理示意圖如圖2：
①Pt電極上發(fā)生的是還原反應(yīng)（填“氧化”或“還原”）．
②寫出NiO電極的電極反應(yīng)式：NO+O^2--2e^-=NO₂．

Answer 1

分析 Ⅰ．（1）二氧化氮和氧氣按照4：1溶于水全部生成硝酸；
（2）①N₂（g）+O₂（g）═2NO（g）△H=+180.5kJ•mol^-1
②2C（s）+O₂（g）═2CO（g）△H=-221.0kJ•mol^-1
③C（s）+O₂（g）═CO₂（g）△H=-393.5kJ•mol^-1
依據(jù)蓋斯定律計算③×2-②-①得到熱化學(xué)方程式；
（3）據(jù)△H=反應(yīng)物鍵能和-生成物鍵能和求算；
（4）催化劑的表面積S₁＞S₂，則催化劑S₁到達平衡的時間比催化劑S₂短，催化劑不影響平衡移動，平衡時NO的濃度相同，據(jù)此作圖；
Ⅱ．（1）依據(jù)圖表數(shù)據(jù)結(jié)合化學(xué)平衡常數(shù)概念是利用生成物平衡濃度冪次方乘積除以反應(yīng)物平衡濃度冪次方乘積計算得到；
（2）依據(jù)圖表數(shù)據(jù)計算分析判斷，化學(xué)平衡常數(shù)隨溫度變化，平衡常數(shù)不變說明改變的條件一定不是溫度；依據(jù)數(shù)據(jù)分析，氮氣濃度增大，二氧化碳和一氧化氮濃度減小；
（3）依據(jù)平衡濃度之比和30min前達到的平衡濃度比較分析平衡移動方向，結(jié)合平衡移動原理判斷反應(yīng)熱量變化；
Ⅲ．（1）CO轉(zhuǎn)化率為50%，CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）
       初始濃度（mol/L）：0.1    0.2        0
       變化濃度（mol/L）：0.05   0.1       0.05  
       平衡濃度（mol/L）：0.05   0.1        0.05
則該溫度下的平衡常數(shù)為  $\frac{0.05}{0.05×0．{1}^{2}}$=100，
再加入1.0mol CO后，可采用極限法計算，假設(shè)H₂完全轉(zhuǎn)化，則
                CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）
初始濃度（mol/L）：0.6    0.2      0
變化濃度（mol/L）：0.1    0.2     0.1
平衡濃度（mol/L）：0.5    0       0.1
計算一氧化碳轉(zhuǎn)化率判斷；
（2）①得電子的物質(zhì)發(fā)生還原反應(yīng)；
②NiO電極上NO失電子和氧離子反應(yīng)生成二氧化氮．

解答 解：Ⅰ．（1）NOx能形成酸雨，NO₂轉(zhuǎn)化為HNO₃的總反應(yīng)的化學(xué)方程式為：4NO₂+O₂+2H₂O═4HNO₃，故答案為：4NO₂+O₂+2H₂O═4HNO₃；
（2）①N₂（g）+O₂（g）═2NO（g）△H=+180.5kJ•mol^-1
②2C（s）+O₂（g）═2CO（g）△H=-221.0kJ•mol^-1
③C（s）+O₂（g）═CO₂（g）△H=-393.5kJ•mol^-1
依據(jù)蓋斯定律計算③×2-②-①得到熱化學(xué)方程式2NO（g）+2CO（g）═N₂（g）+2CO₂（g）△H=-746.5KJ/mol，
故答案為：-746.5KJ/mol；
（3）△H=反應(yīng)物鍵能和-生成物鍵能和，946kJ/mol+497kJ/mol-2Q（N-O）=180.0kJ/mol，Q（N-O）=631.5KJ/mol，故答案為：631.5；
（4）催化劑的表面積S₁＞S₂，則催化劑S₁到達平衡的時間比催化劑S₂短，催化劑不影響平衡移動，平衡時NO的濃度相同，故c（NO） 在T₁、S₂條件下達到平衡過程中的變化曲線為：，故答案為：．
Ⅱ．（1）平衡狀態(tài)物質(zhì)的平衡濃度為，c（NO）=0.04mol/L；c（N₂）=0.03mol/L；c（CO₂）=0.03mol/L；K=$\frac{c（{N}_{2}）c（C{O}_{2}）}{{c}^{2}（NO）}$=$\frac{0.03×0.03}{0.0{4}^{2}}$=0.56；
故答案為：0.56；
（2）30min時改變某一條件，反應(yīng)重新達到平衡，依據(jù)平衡常數(shù)計算得到c（N₂）=0.034mol/L；c（CO₂）=0.017mol/L；c（NO）=0.032mol/L；K=$\frac{c（{N}_{2}）c（C{O}_{2}）}{{c}^{2}（NO）}$=$\frac{0.034×0.017}{0.03{2}^{2}}$=0.56，化學(xué)平衡常數(shù)隨溫度變化，平衡常數(shù)不變說明改變的條件一定不是溫度；依據(jù)數(shù)據(jù)分析，氮氣濃度增大，二氧化碳和一氧化氮濃度減小，反應(yīng)前后氣體體積不變，所以可能是減小二氧化碳濃度，
故答案為：減小CO₂的濃度；
（3）若30min后升高溫度至T₂℃，達到平衡時，容器中NO、N₂、CO₂的濃度之比為5：3：3，和圖表數(shù)據(jù)分析判斷，平衡逆向進行，由平衡移動原理可知，升溫平衡向吸熱反應(yīng)方向進行，所以正反應(yīng)為放熱反應(yīng)；反應(yīng)的△H＜0；
故答案為：＜；
Ⅲ．（1）CO轉(zhuǎn)化率為50%，CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）
       初始濃度（mol/L）：0.1    0.2        0
       變化濃度（mol/L）：0.05   0.1       0.05  
       平衡濃度（mol/L）：0.05   0.1        0.05
則該溫度下的平衡常數(shù)為  $\frac{0.05}{0.05×0．{1}^{2}}$=100，
再加入1.0mol CO后，可采用極限法計算，假設(shè)H₂完全轉(zhuǎn)化，則
                CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）
初始濃度（mol/L）：0.6    0.2      0
變化濃度（mol/L）：0.1    0.2     0.1
平衡濃度（mol/L）：0.5    0       0.1
則重新達到平衡，CO的轉(zhuǎn)化率 $\frac{0.1}{0.6}$×100%=$\frac{1}{6}$＜50%，則轉(zhuǎn)化率減小，
故答案為：減��；
（2）①鉑電極上氧氣得電子生成氧離子而被還原，故答案為：還原；
②NiO電極上NO失電子和氧離子反應(yīng)生成二氧化氮，所以電極反應(yīng)式為：NO+O^2--2e^-=NO₂，故答案為：NO+O^2--2e^-=NO₂．

點評 本題主要考查化學(xué)反應(yīng)速率、影響化學(xué)平衡的因素、化學(xué)平衡圖象、電極反應(yīng)式的以及熱化學(xué)方程式的書寫等，注意根據(jù)“先拐先平數(shù)值大”原則判斷溫度高低是關(guān)鍵，作圖時注意到達平衡的時間與平衡時NO的濃度，題目難度中等．