Question

汽車(chē)尾氣中的NO_x是大氣污染物之一，科學(xué)家們?cè)趪L試用更科學(xué)的方法將NO_x轉(zhuǎn)化成無(wú)毒物質(zhì)，從而減少汽車(chē)尾氣污染．
（1）壓縮天然氣（CNG）汽車(chē)的優(yōu)點(diǎn)之一是利用催化技術(shù)能夠?qū)�NO_x轉(zhuǎn)變成無(wú)毒的CO₂和N₂．
①CH₄（g）+4NO₂（g）

催化劑

4NO（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₁＜0
②CH₄（g）+4NO（g）

催化劑

 2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₂＜0
③CH₄（g）+2NO₂（g）

催化劑

 N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₃=

 

．（用△H₁和△H₂表示）
（2）在恒壓下，將CH₄（g）和NO₂（g）置于密閉容器中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)③，在不同溫度、不同投料比時(shí)，NO₂的平衡轉(zhuǎn)化率見(jiàn)下表：

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

①寫(xiě)出該反應(yīng)平衡常數(shù)的表達(dá)式K=

 

．
②若溫度不變，提高[

n(NO2)

n(CH4)

]投料比，則K將

 

．（填“增大”、“減小”或“不變”．）
③400K時(shí)，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容器中，充分反應(yīng)后，平衡時(shí)NO₂的體積分?jǐn)?shù)

 

．
（3）連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)氮氧化物（NO_x）的儀器動(dòng)態(tài)庫(kù)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(yīng)式：

 

．
②收集某汽車(chē)尾氣經(jīng)測(cè)量NO_x的含量為1.12%（體積分?jǐn)?shù)），若用甲烷將其完全轉(zhuǎn)化為無(wú)害氣體，處理1×10⁴L（標(biāo)準(zhǔn)狀況下）該尾氣需要甲烷30g，則尾氣中V（NO）：V（NO₂）=

 

（4）在容積相同的兩個(gè)密閉容器內(nèi) （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(shí)分別發(fā)生②③兩個(gè)反應(yīng)：并在t秒時(shí)測(cè)定其中NO_x轉(zhuǎn)化率，繪得圖象如圖2所示：
①?gòu)膱D中可以得出的結(jié)論是
結(jié)論一：相同溫度下NO轉(zhuǎn)化效率比NO₂的低
結(jié)論二：在250℃-450℃時(shí)，NO_x轉(zhuǎn)化率隨溫度升高而增大，450℃-600℃時(shí)NO_x轉(zhuǎn)化率隨溫度升高而減小
結(jié)論二的原因是

 

②在上述NO₂和CH₄反應(yīng)中，提高NO₂轉(zhuǎn)化率的措施有

 

．（填編號(hào)）
A．改用高效催化劑     B．降低溫度     C．分離出H₂O（g）       D．增大壓強(qiáng)
E．增加原催化劑的表面積   F．減小投料比[

n(NO2)

n(CH4)

]．

Answer 1

考點(diǎn)：熱化學(xué)方程式,常見(jiàn)化學(xué)電源的種類(lèi)及其工作原理,化學(xué)平衡的影響因素,化學(xué)平衡的計(jì)算

專(zhuān)題：基本概念與基本理論

分析：（1）依據(jù)熱化學(xué)方程式和蓋斯定律計(jì)算得到所需讓化學(xué)方程式；
（2）①依據(jù)化學(xué)方程式結(jié)合平衡常數(shù)概念書(shū)寫(xiě)平衡常數(shù)表達(dá)式；
②平衡常數(shù)隨溫度變化，不隨濃度變化；
③400K時(shí)，將投料比為1的NO₂和CH₄的混合氣體共0.04mol，二氧化氮轉(zhuǎn)化率為60%，依據(jù)化學(xué)平衡三段式列式計(jì)算；
（3）①根據(jù)圖片知，鉑電極上氧氣得電子發(fā)生還原反應(yīng)而作正極，NiO電極上NO失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，則NiO為負(fù)極，正極上電極反應(yīng)式為：O₂+4e^-═2O^2-，負(fù)極上電極反應(yīng)式為：NO-2e^-+O^2-═NO₂，結(jié)合電池內(nèi)部離子移動(dòng)方向判斷．
②依據(jù)一氧化氮、二氧化氮變化為氮?dú)�，甲烷變化為二氧化碳過(guò)程中電子轉(zhuǎn)移守恒列式計(jì)算；
（4）①根據(jù)圖象分析，開(kāi)始二氧化氮轉(zhuǎn)化率增大，反應(yīng)正向進(jìn)行，400°C左右達(dá)到最大，繼續(xù)加熱，二氧化氮轉(zhuǎn)化率減小，反應(yīng)是放熱反應(yīng)，說(shuō)明平衡逆向進(jìn)行；
②根據(jù)外界條件對(duì)化學(xué)平衡的影響分析．

解答： 解：（1）①CH₄（g）+4NO₂（g）

催化劑

4NO（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₁＜0
②CH₄（g）+4NO（g）

催化劑

 2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₂＜0
③CH₄（g）+2NO₂（g）

催化劑

 N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₃=
依據(jù)蓋斯定律

①+②

2

得到目標(biāo)方程式③，所以，CH₄（g）+2NO₂（g）

催化劑

 N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₃=

△H1+△H2

2

KJ/mol，
故答案為：

△H1+△H2

2

KJ/mol；
（2）①在恒壓下，將CH₄（g）和NO₂（g）置于密閉容器中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)③CH₄（g）+2NO₂（g）

催化劑

 N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g），反應(yīng)的平衡常數(shù)表達(dá)式是利用平衡狀態(tài)生成物濃度冪次方乘積除以反應(yīng)物濃度冪次方乘積，該反應(yīng)的平衡常數(shù)的表達(dá)式 K=

c(N2)c2(H2O)c(CO2)

c(CH4)c2(NO2)

，
故答案為：

c(N2)c2(H2O)c(CO2)

c(CH4)c2(NO2)

；
②平衡常數(shù)K不受濃度和壓強(qiáng)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(shí)，將投料比為1的NO₂和CH₄的混合氣體共0.04 mol，二氧化氮轉(zhuǎn)化率為60%，充入一裝有催化劑的容器中，充分反應(yīng)后，則
        CH₄（g）+2NO₂（g）

催化劑 .

△

  N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）
n始     0.02        0.02          0        0          0
n轉(zhuǎn)    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(shí)NO₂的體積分?jǐn)?shù)=

0.008mol

0.014mol+0.008mol+0.006mol+0.012mol

×100%=17.4%，
故答案為：17.4%；
（3）①負(fù)極NiO上一氧化氮失電子和氧離子反應(yīng)生成二氧化氮，電極反應(yīng)式為NO-2e^-+O^2-═NO₂，故答案為：NO-2e^-+O^2-═NO₂；
②收集某汽車(chē)尾氣經(jīng)測(cè)量NO_x的含量為1.12%（體積分?jǐn)?shù)），若用甲烷將其完全轉(zhuǎn)化為無(wú)害氣體，處理1×10⁴L（標(biāo)準(zhǔn)狀況下）該尾氣需要甲烷30g，設(shè)尾氣中NO物質(zhì)的量為x，NO₂物質(zhì)的量為y，2NO～N₂～4e^-，2NO₂～N₂～4e^-，CH₄～CO₂～8e^-，
2x+4y=

30g

16g/mol

×8=15mol
x+y=

1×104L×1.12%

22.4L/mol

=5mol
計(jì)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(guò)圖象知，NO轉(zhuǎn)化效率比NO₂ 的低；在250°C-450°C時(shí)，NOx轉(zhuǎn)化率隨溫度升高而增大，450°C-600°C時(shí)NOx轉(zhuǎn)化率隨溫度升高而減小，圖象分析，開(kāi)始二氧化氮轉(zhuǎn)化率增大，反應(yīng)正向進(jìn)行，450°C左右達(dá)到最大，繼續(xù)加熱，二氧化氮轉(zhuǎn)化率減小，反應(yīng)是放熱反應(yīng)，說(shuō)明平衡逆向進(jìn)行，
故答案為：在250°C-450°C時(shí)，NOx轉(zhuǎn)化率隨溫度升高而增大，反應(yīng)正向進(jìn)行，400°C左右達(dá)到最大，反應(yīng)達(dá)到平衡，450°C-600°C時(shí)NOx轉(zhuǎn)化率隨溫度升高而減小，反應(yīng)是放熱反應(yīng)，升溫平衡逆向進(jìn)行，二氧化氮轉(zhuǎn)化率減��；
②上述NO₂和CH₄反應(yīng)中，該反應(yīng)是放熱反應(yīng)，且該反應(yīng)是氣體體積增大的反應(yīng)，提高NO₂轉(zhuǎn)化率的措施促使平衡正向進(jìn)行；
A、催化劑只改變反應(yīng)到達(dá)平衡的時(shí)間，不改變化學(xué)平衡狀態(tài)，故A錯(cuò)誤；
B、該反應(yīng)是放熱反應(yīng)，所以降低溫度，平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，增大二氧化氮的轉(zhuǎn)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(yīng)方向移動(dòng)，增大二氧化氮的轉(zhuǎn)化率，故C正確；
D、該反應(yīng)是氣體體積增大的反應(yīng)，增大壓強(qiáng)，平衡向逆反應(yīng)方向移動(dòng)，二氧化氮的轉(zhuǎn)化率降低，故D錯(cuò)誤；
E、增加原催化劑的表面積改變反應(yīng)速率，平衡不動(dòng)，故E錯(cuò)誤；
F、減小投料比[

n(NO2)

n(CH4)

]，甲烷增多，二氧化氮減小，二氧化氮轉(zhuǎn)化率提高，故F正確；
故答案為：BCF．

點(diǎn)評(píng)：本題考查了蓋斯定律計(jì)算，原電池原理應(yīng)用，化學(xué)平衡常數(shù)，平衡影響因素的分析判斷，注意圖象變化規(guī)律的理解應(yīng)用，掌握平衡移動(dòng)原理是關(guān)鍵，題目難度較大．