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、燃燒源超細顆粒（PM2.5）等有害物質．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轉化為HNO₃的化學方程式：4NO₂+O₂+2H₂O═4HNO₃．
（2）尾氣轉化的反應之一：2NO（g）+2CO（g）═N₂（g）+2CO₂（g）△H=-746.5KJ/mol．
（3）已知：N₂、O₂分子中化學鍵的鍵能分別是946kJ•mol^-1、497kJ•mol^-1，則NO分子中化學鍵的鍵能為631.5kJ•mol^-1．
（4）當質量一定時，增大固體催化劑的表面積可提高化學反應速率．如圖1表示在其他條件不變時，反應：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．有關反應為：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，反應進行到不同時間測得各物質的濃度如下：

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，該反應的平衡常數K=0.56（保留兩位小數）．
（2）30min后，改變某一條件，反應重新達到平衡，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，則該反應的△H＜0（填“＞”、“=”或“＜”）．
Ⅲ．變廢為寶．
（1）CO可用于合成CH₃OH，反應方程式為：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的轉化率50%，再加入1.0molCO后重新達到平衡，則CO的轉化率減�。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（填“氧化”或“還原”）．
②寫出NiO電極的電極反應式：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
依據蓋斯定律計算③×2-②-①得到熱化學方程式；
（3）據△H=反應物鍵能和-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，據此作圖；
Ⅱ．（1）依據圖表數據結合化學平衡常數概念是利用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計算得到；
（2）依據圖表數據計算分析判斷，化學平衡常數隨溫度變化，平衡常數不變說明改變的條件一定不是溫度；依據數據分析，氮氣濃度增大，二氧化碳和一氧化氮濃度減��；
（3）依據平衡濃度之比和30min前達到的平衡濃度比較分析平衡移動方向，結合平衡移動原理判斷反應熱量變化；
Ⅲ．（1）CO轉化率為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H₂完全轉化，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
計算一氧化碳轉化率判斷；
（2）①得電子的物質發(fā)生還原反應；
②NiO電極上NO失電子和氧離子反應生成二氧化氮．

解答 解：Ⅰ．（1）NOx能形成酸雨，NO₂轉化為HNO₃的總反應的化學方程式為：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
依據蓋斯定律計算③×2-②-①得到熱化學方程式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，反應重新達到平衡，依據平衡常數計算得到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，化學平衡常數隨溫度變化，平衡常數不變說明改變的條件一定不是溫度；依據數據分析，氮氣濃度增大，二氧化碳和一氧化氮濃度減小，反應前后氣體體積不變，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，和圖表數據分析判斷，平衡逆向進行，由平衡移動原理可知，升溫平衡向吸熱反應方向進行，所以正反應為放熱反應；反應的△H＜0；
故答案為：＜；
Ⅲ．（1）CO轉化率為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H₂完全轉化，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的轉化率 $\frac{0.1}{0.6}$×100%=$\frac{1}{6}$＜50%，則轉化率減小，
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生成二氧化氮，所以電極反應式為：NO+O^2--2e^-=NO₂，故答案為：NO+O^2--2e^-=NO₂．

點評 本題主要考查化學反應速率、影響化學平衡的因素、化學平衡圖象、電極反應式的以及熱化學方程式的書寫等，注意根據“先拐先平數值大”原則判斷溫度高低是關鍵，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．