Question

15．汽車尾氣中的NO_x是大氣污染物之一，科學家們在嘗試用更科學的方法將NO_x轉化成無毒物質，從而減少汽車尾氣污染．
（1）壓縮天然氣（CNG）汽車的優(yōu)點之一是利用催化技術能夠將NO_x轉變成無毒的CO₂和N₂．
①CH₄（g）+4NO₂（g）═4NO（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₁
②CH₄（g）+4NO（g）═2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₂
③CH₄（g）+2NO₂（g）═N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₃
則△H₁、△H₂、△H₃三者關系式為△H₃ =$\frac{△{H}_{1}+△{H}_{2}}{2}$．
（2）在恒壓下，將CH₄（g）和NO₂（g）置于密閉容器中發(fā)生化學反應③，在不同溫度、不同投料比時，NO₂的平衡轉化率見下表：

投料比[n（NO2）：n（CH4）]	400K	500K	600K
1	60%	43%	28%
2	45%	33%	20%

①寫出該反應平衡常數的表達式K=$\frac{c（{N}_{2}）{c}^{2}（{H}_{2}O）c（C{O}_{2}）}{c（C{H}_{4}）{c}^{2}（N{O}_{2}）}$．
②若溫度不變，提高[n（NO₂）：n（CH₄）]投料比，則K將不變．（填“增大”、“減小”或“不變”）
③400K時，將投料比為1的NO₂和CH₄的混合氣體共0.04mol，充入一裝有催化劑的5L容器中，10分鐘達到平衡，則NO₂的化學反應速率為0.00024mol/L•min．
（3）連續(xù)自動監(jiān)測氮氧化物（NO_x）的儀器動態(tài)庫侖儀的工作原理示意圖如圖1

①NiO電極上NO發(fā)生的電極反應式NO-2e^-+O^2-═NO₂．
②收集某汽車尾氣經測量NO_x的含量為1.12%（體積分數），若用甲烷將其完全轉化為無害氣體，處理110⁴L（標準狀況下）該尾氣需要甲烷30g，則尾氣中n（NO）：n（NO₂）=1：1．
（4）在容積相同的兩個密閉容器內（裝有等量的某種催化劑）先各通入等量的CH₄，然后再分別充入等量的NO和NO₂．在不同溫度下，同時分別發(fā)生②③兩個反應：并在t秒時測定其中NO_x轉化率，繪得圖象如圖2所示：
①從圖中可以得出的結論是：
結論一：相同溫度下NO轉化效率比NO₂的低
結論二：在250℃-450℃時，NO_x轉化率隨溫度升高而增大，450℃-600℃時NO_x轉化率隨溫度升高而減小
結論二的原因是在250°C-450°C時，NOx轉化率隨溫度升高而增大，反應正向進行，400°C左右達到最大，反應達到平衡，450°C-600°C時NOx轉化率隨溫度升高而減小，反應是放熱反應，升溫平衡逆向進行，二氧化氮轉化率減小．
②在上述NO₂和CH₄反應中，提高NO₂轉化率的措施有BCF．（填編號）
A．改用高效催化劑   B．降低溫度  C．分離出H₂O（g）  D．增大壓強
E．增加原催化劑的表面積         F．減小投料比[n（NO₂）：n（CH₄）]．

Answer 1

分析 （1）依據熱化學方程式和蓋斯定律計算得到所需讓化學方程式，①CH₄（g）+4NO₂（g）=4NO（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₁＜0
②CH₄（g）+4NO（g）=2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₂＜0
③CH₄（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₃=
依據蓋斯定律 $\frac{①+②}{2}$得到目標方程式③；
（2）①依據化學方程式結合平衡常數概念書寫平衡常數表達式，平衡常數等于生成物平衡濃度冪次方乘積除以反應物平衡濃度冪次方乘積；
②平衡常數隨溫度變化，不隨濃度變化；
③400K時，將投料比為1的NO₂和CH₄的混合氣體共0.04mol，二氧化氮轉化率為60%，依據化學平衡三段式列式計算；
（3）①根據圖片知，鉑電極上氧氣得電子發(fā)生還原反應而作正極，NiO電極上NO失電子發(fā)生氧化反應，則NiO為負極，正極上電極反應式為：O₂+4e^-═2O^2-，負極上電極反應式為：NO-2e^-+O^2-═NO₂，結合電池內部離子移動方向判斷．
②依據一氧化氮、二氧化氮變化為氮氣，甲烷變化為二氧化碳過程中電子轉移守恒列式計算；
（4）①根據圖象分析，開始二氧化氮轉化率增大，反應正向進行，400°C左右達到最大，繼續(xù)加熱，二氧化氮轉化率減小，反應是放熱反應，說明平衡逆向進行；
②根據外界條件對化學平衡的影響分析．

解答 解：（1）①CH₄（g）+4NO₂（g）=4NO（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₁＜0
②CH₄（g）+4NO（g）=2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₂＜0
③CH₄（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₃=
依據蓋斯定律 $\frac{①+②}{2}$得到目標方程式③，所以，CH₄（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₃=$\frac{△{H}_{1}+△{H}_{2}}{2}$，
故答案為：△H₃=$\frac{△{H}_{1}+△{H}_{2}}{2}$；
（2）①在恒壓下，將CH₄（g）和NO₂（g）置于密閉容器中發(fā)生化學反應③CH₄（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g），反應的平衡常數表達式是利用平衡狀態(tài)生成物濃度冪次方乘積除以反應物濃度冪次方乘積，該反應的平衡常數的表達式 K=$\frac{c（{N}_{2}）{c}^{2}（{H}_{2}O）c（C{O}_{2}）}{c（C{H}_{4}）{c}^{2}（N{O}_{2}）}$，
故答案為：$\frac{c（{N}_{2}）{c}^{2}（{H}_{2}O）c（C{O}_{2}）}{c（C{H}_{4}）{c}^{2}（N{O}_{2}）}$；
②平衡常數K不受濃度和壓強的影響，只受溫度的影響，溫度不變K不變，故答案為：不變；
③400 K時，將投料比為1的NO₂和CH₄的混合氣體共0.04 mol，二氧化氮轉化率為60%，充入一裝有催化劑的容器中，充分反應后，則
        CH₄（g）+2NO₂（g）$\frac{\underline{催化劑}}{△}$ N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）
n始     0.02        0.02          0        0          0
n轉    0.006  0.02×0.6=0.012   0.006    0.006      0.012
n平    0.014       0.008        0.006    0.006      0.012
平衡時NO₂的反應速率=$\frac{0.012mol}{5L×1Omin}$=0.00024mol/L•min，
故答案為：0.00024mol/L•min；
（3）①負極NiO上一氧化氮失電子和氧離子反應生成二氧化氮，電極反應式為NO-2e^-+O^2-═NO₂，故答案為：NO-2e^-+O^2-═NO₂；
②收集某汽車尾氣經測量NO_x的含量為1.12%（體積分數），若用甲烷將其完全轉化為無害氣體，處理1×10⁴L（標準狀況下）該尾氣需要甲烷30g，設尾氣中NO物質的量為x，NO₂物質的量為y，2NO～N₂～4e^-，2NO₂～N₂～4e^-，CH₄～CO₂～8e^-，
2x+4y=$\frac{30g}{16g/mol}$×8=15mol
x+y=$\frac{1×1{0}^{4}L×1.12%}{22.4L/mol}$=5mol
計算得到x=2.5mol，y=2.5mol
尾氣中V（NO）：V（NO₂）=1：1
故答案為；1：1；
（4）①通過圖象知，NO轉化效率比NO₂ 的低；在250°C-450°C時，NOx轉化率隨溫度升高而增大，450°C-600°C時NOx轉化率隨溫度升高而減小，圖象分析，開始二氧化氮轉化率增大，反應正向進行，450°C左右達到最大，繼續(xù)加熱，二氧化氮轉化率減小，反應是放熱反應，說明平衡逆向進行，
故答案為：在250°C-450°C時，NOx轉化率隨溫度升高而增大，反應正向進行，400°C左右達到最大，反應達到平衡，450°C-600°C時NOx轉化率隨溫度升高而減小，反應是放熱反應，升溫平衡逆向進行，二氧化氮轉化率減��；
②上述NO₂和CH₄反應中，該反應是放熱反應，且該反應是氣體體積增大的反應，提高NO₂轉化率的措施促使平衡正向進行；
A、催化劑只改變反應到達平衡的時間，不改變化學平衡狀態(tài)，故A錯誤；
B、該反應是放熱反應，所以降低溫度，平衡向正反應方向移動，增大二氧化氮的轉化率，故B正確；
C、分離出H₂O（g），減少生成物的濃度，平衡向正反應方向移動，增大二氧化氮的轉化率，故C正確；
D、該反應是氣體體積增大的反應，增大壓強，平衡向逆反應方向移動，二氧化氮的轉化率降低，故D錯誤；
E、增加原催化劑的表面積改變反應速率，平衡不動，故E錯誤；
F、減小投料比[$\frac{n（N{O}_{2}）}{n（C{H}_{4}）}$]，甲烷增多，二氧化氮減小，二氧化氮轉化率提高，故F正確；
故答案為：BCF．

點評 本題考查了蓋斯定律計算，原電池原理應用，化學平衡常數，平衡影響因素的分析判斷，注意圖象變化規(guī)律的理解應用，掌握平衡移動原理是關鍵，題目難度較大．