Question

5．2015年5月5日，北京開(kāi)啟“燒烤”模式，氣溫高達(dá) 35℃，臭氧代替 PM2.5 坐上大氣 污染物的“頭把交椅”．汽車和工業(yè)廢氣中的氮氧化物因經(jīng)光化學(xué)反應(yīng)可形成臭氧而被列入北京的污染物排放源清單．氮氧化物處理通常有下列途徑：
（1）在汽車排氣管內(nèi)安裝催化轉(zhuǎn)化器，可將汽車尾氣中主要污染物轉(zhuǎn)化為無(wú)毒的大氣循環(huán)物質(zhì)
①反應(yīng) 2NO（g）+2CO（g）?2CO₂（g）+N₂（g）能夠自發(fā)進(jìn)行，則該反應(yīng)的△H＜0（填“＞”或“＜”）．
②根據(jù)傳感器記錄某溫度下 NO、CO 的反應(yīng)進(jìn)程，測(cè)量所得數(shù)據(jù)繪制出圖 1．前1S內(nèi)平均反應(yīng)速率v（N₂）=2.7×10^-4mol/（L．s）；第 2S時(shí)的X值范圍25.2＜X＜30.6．
③在一定溫度下，向體積為VL的密閉容器中充入一定量的NO和CO．在t1時(shí)刻達(dá)到平衡
狀態(tài)，此時(shí) n（CO）=amol，n（NO）=2amol，n（N₂）=bmol．若保持體積不變，再向容器中充 入 n（CO₂）=bmol，n（NO）=amol，則此時(shí) v 正=v逆（填“＞”、“=”或“＜”）；
④在t₂時(shí)刻，將容器迅速壓縮到原容積的$\frac{1}{2}$，在其它條件不變的情況下，t₃時(shí)刻達(dá)到新的平衡狀態(tài)．請(qǐng)?jiān)趫D2中補(bǔ)充畫出t₂-t₃-t₄時(shí)段N₂物質(zhì)的量的變化曲線．
（2）煙氣中含有的氮氧化物（NOx）可與甲烷在一定條件下反應(yīng)轉(zhuǎn)化為無(wú)害成分，從而消除污染．
已知：CH₄（g）+2O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（l）K₁△H=a kJ•mol^-1；N₂（g）+O₂（g）═2NO（g）K₂△H=b kJ•mol^-1；
CH₄脫硝的熱化學(xué)方程式為 CH₄（g）+4NO（g）═CO₂（g）+2N₂（g）+2H₂O（l）△H=（a-2b）kJ•mol^-1； 平衡常數(shù)K=$\frac{{K}_{1}}{{{K}_{2}}^{2}}$（K用 K₁、K₂表示）
（3）C₂H₄也可用于煙氣脫硝．為研究溫度、催化劑中 Cu²⁺負(fù)載量對(duì)其NO去除率的影響，控制其他條件一定實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示．為達(dá)到最高的NO去除率，應(yīng)選擇的反應(yīng)溫度和Cu²⁺負(fù)載量分別是350℃、負(fù)載率3%．
（4）工業(yè)尾氣中氮的氧化物常采用堿液吸收法處理．NO₂被足量純堿溶液完全吸收后得到兩種鈉鹽，同時(shí)產(chǎn)生CO₂．請(qǐng)寫出NO₂與純堿反應(yīng)的化學(xué)方程式：Na₂CO₃+2NO₂═NaNO₃+NaNO₂+CO₂．

Answer 1

分析 （1）①反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行的判斷依據(jù)為△H-T△S＜0；
②利用v=$\frac{△c}{△t}$計(jì)算v（CO），根據(jù)速率之比等于化學(xué)計(jì)量數(shù)之比求v（CO₂）；根據(jù)速率之比等于化學(xué)計(jì)量數(shù)之比求v（N₂）；根據(jù)隨著反應(yīng)進(jìn)行反應(yīng)速率越來(lái)越小分析；
③根據(jù)三行式結(jié)合化學(xué)平衡的移動(dòng)知識(shí)來(lái)計(jì)算分析；
④壓縮容器體積，增大了壓強(qiáng)，正逆反應(yīng)速率增大，平衡向著氣體體減小的方向移動(dòng)，據(jù)此畫出從t₂-t₃-t₄時(shí)段，正反應(yīng)速率的變化曲線；
（2）依據(jù)熱化學(xué)方程式和蓋斯定律計(jì)算得到所需熱化學(xué)方程式，平衡常數(shù)=$\frac{生成物平衡濃度冪次方乘積}{反應(yīng)物平衡濃度冪次方乘積}$，依據(jù)反應(yīng)的平衡常數(shù)計(jì)算分析平衡常數(shù)的關(guān)系；
（3）脫硝率高，負(fù)載率低，適宜的溫度；
（4）反應(yīng)與NO₂和NaOH反應(yīng)相似，生成NaNO₂、NaNO₃和CO₂，以此書寫反應(yīng)的化學(xué)方程式．

解答 解：（1）①反應(yīng) 2NO（g）+2CO（g）?2CO₂（g）+N₂（g）能夠自發(fā)進(jìn)行，反應(yīng)△S＜0，若滿足△H-T△S＜0，必須△H＜0，
故答案為：＜；
②一氧化氮的反應(yīng)速率為v（CO）=$\frac{△c}{△t}$=$\frac{（36-30.6）×1{0}^{-4}mol/L}{1s}$=5.4×10^-3mol/L．s，同一化學(xué)反應(yīng)同一時(shí)間段內(nèi)，各物質(zhì)的反應(yīng)速率之比等于計(jì)量數(shù)之比，
同一化學(xué)反應(yīng)同一時(shí)間段內(nèi)，各物質(zhì)的反應(yīng)速率之比等于計(jì)量數(shù)之比，所以v（N₂）=$\frac{1}{2}$v（CO）=2.7×10^-4mol/（L．s）；
因?yàn)殡S著反應(yīng)進(jìn)行反應(yīng)速率越來(lái)越小，所以第2S消耗的CO小于第1S的36-30.6=5.4，則第2s時(shí)的30.6＞x＞30.6-5.4=25.2，
故答案為：2.7×10^-4mol/（L．s）；25.2＜X＜30.6；
 ③在一定溫度下，向體積為 V L的密閉容器中充入一定量的NO和CO．在t₁時(shí)刻達(dá)到平衡狀態(tài)，此時(shí)n（CO）=a mol，n（NO）=2a mol，n（N₂）=b mol．依據(jù)化學(xué)平衡三段式列式計(jì)算
              2NO（g）+2CO（g）?N₂（g）+2CO₂（g）
起始量（mol）  2a+2b   a+2b       0        0
變化量（mol）   2b       2b        b       2b
平衡量（mol）   2a       a        b       2b  
若保持體積不變，再向容器中充入n（CO₂）=b mol，n（NO）=a mol，正逆進(jìn)行程度相同，平衡不動(dòng)，正逆反應(yīng)速率相同；
故答案為：=；     
④在t₂時(shí)刻，將容器迅速壓縮到原容積的$\frac{1}{2}$，在其它條件不變的情況下，瞬間氮?dú)馕镔|(zhì)的量不變，濃度增大，相當(dāng)于增大壓強(qiáng)，平衡正向進(jìn)行，氮?dú)馕镔|(zhì)的量增大，最后不變，t₃時(shí)刻達(dá)到新的平衡狀態(tài)如圖；
故答案為：；

（2）①CH₄（g）+2O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（l）   K₁=$\frac{c（C{O}_{2}）{c}^{2}（{H}_{2}O）}{c（C{H}_{4}）{c}^{2}（{O}_{2}）}$△H=a kJ•mol^-1；
②N₂（g）+O₂（g）═2NO（g）  K₂=_{$\frac{{c}^{2}（NO）}{c（{N}_{2}）c（{O}_{2}）}$} △H=b kJ•mol^-1；
依據(jù)蓋斯定律計(jì)算，①-②×2得到CH₄脫硝的熱化學(xué)方程式為 CH₄（g）+4NO（g）═CO₂（g）+2N₂（g）+2H₂O（l）△H=（a-2b ）kJ•mol^-1；
K₃=$\frac{c（C{O}_{2}）{c}^{2}（{N}_{2}）{c}^{2}（{H}_{2}O）}{c（C{H}_{4}）{c}^{4}（NO）}$=$\frac{{K}_{1}}{{{K}_{2}}^{2}}$，
故答案為：（a-2b ）kJ•mol^-1；K₃=$\frac{{K}_{1}}{{{K}_{2}}^{2}}$；
（3）滿足脫硝率高，負(fù)載率低，適宜的溫度，由圖可知，適合條件為350℃、負(fù)載率3%．
故答案為：350℃、負(fù)載率3%；
（4）反應(yīng)與NO₂和NaOH反應(yīng)相似，生成NaNO₂、NaNO₃和CO₂，則反應(yīng)的化學(xué)方程式為2NO₂+Na₂CO₃=NaNO₂+NaNO₃+CO₂，
故答案為：2NO₂+Na₂CO₃=NaNO₂+NaNO₃+CO₂．

點(diǎn)評(píng) 本題考查蓋斯定律的應(yīng)用、放熱反應(yīng)與吸熱反應(yīng)、熱化學(xué)方程式的書寫．難度中等．根據(jù)圖象分析出分解率的變化特點(diǎn)是解題的關(guān)鍵，掌握基礎(chǔ)是關(guān)鍵．