Question

16．在汽車上安裝三效催化轉(zhuǎn)化器，可使汽車尾氣中的主要污染物（CO、NO_X、碳?xì)浠�合物）進(jìn)行相互反應(yīng)，生成無毒物質(zhì)，減少汽車尾氣污染．
（1）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尾氣轉(zhuǎn)化的反應(yīng)之一：2NO（g）+2CO（g）=N₂（g）+2CO₂（g）△H=-746.5 kJ•mol^-1．該反應(yīng)△S＜0（填“＞”、“＜”或“=”），在低溫（填“高溫”“低溫”或“任何溫度”）下能自發(fā)進(jìn)行．
②已知：分別斷裂1mol N₂、O₂分子中化學(xué)鍵所需要的能量是946kJ、497kJ，則斷裂1mol NO分子中化學(xué)鍵所需要的能量為631.25kJ．
（2）某研究性學(xué)習(xí)小組在技術(shù)人員的指導(dǎo)下，在某溫度時(shí)，按下列流程探究某種催化劑作用下的反應(yīng)速率，用氣體傳感器測得不同時(shí)間的NO和CO濃度如表：
汽車尾氣→尾氣分析儀→催化反應(yīng)器→尾氣分析儀

時(shí)間/s	0	1	2	3	4	5
c（NO） （×10-4mol•L-1）	10.0	4.50	2.50	1.50	1.00	1.00
c（CO） （×10-3mol•L-1）	3.60	3.05	2.85	2.75	2.70	2.70

請回答下列問題（均不考慮溫度變化對(duì)催化劑催化效率的影響）：
①前2s內(nèi)的平均反應(yīng)速率v（N₂）=1.88×10^-4 mol/（L•s）．
②在該溫度下，反應(yīng)的平衡常數(shù)K=5000 L/mol．（寫出計(jì)算結(jié)果）
③對(duì)于該可逆反應(yīng)，通過綜合分析以上信息，至少可以說明BC （填字母）．
A．該反應(yīng)的反應(yīng)物混合后很不穩(wěn)定
B．該反應(yīng)體系達(dá)到平衡時(shí)至少有一種反應(yīng)物的百分含量減小
C．該反應(yīng)在一定條件下能自發(fā)進(jìn)行
D．該反應(yīng)使用催化劑意義不大
④研究表明：在使用等質(zhì)量催化劑時(shí)，增大催化劑比表面積可提高化學(xué)反應(yīng)速率．為了分別驗(yàn)證溫度、催化劑比表面積對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響規(guī)律，某同學(xué)設(shè)計(jì)了三組實(shí)驗(yàn)，部分實(shí)驗(yàn)條件已經(jīng)填在下面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)表中，請?jiān)诒砀裰刑钊胧Ｓ嗟膶?shí)驗(yàn)條件數(shù)據(jù)．

實(shí)驗(yàn)編號(hào)	T/℃	NO初始濃度mol•L-1	CO初始濃度mol•L-1	催化劑的比表面積m2•g-1
Ⅰ	280	1.2×10-3	5.8×10-3	82
Ⅱ				124
Ⅲ	350			124

（3）CO分析儀以燃料電池為工作原理，其裝置如圖所示，該電池中電解質(zhì)為氧化釔-氧化鈉，其中O^2-可以在固體介質(zhì)NASICON中自由移動(dòng)．
①負(fù)極的電極反應(yīng)式為：CO+O^2--2e^-═CO₂．
②工作時(shí)O^2-由電極b流向電極a（填a或b）

Answer 1

分析 （1）①N₂（g）+O₂（g）=2NO（g）△H=+180.5kJ•mol^-1①
2C（s）+O₂（g）=2CO（g）△H=-221.0kJ•mol^-1②
C（s）+O₂（g）=CO₂（g）△H=-393.5kJ•mol^-1③，
根據(jù)蓋斯定律，方程式③×2-①-②得2NO（g）+2CO（g）=N₂（g）+2CO₂（g），據(jù)此計(jì)算；根據(jù)氣體的物質(zhì)的量變化判斷熵變；根據(jù)△H-T△S＜0反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行判斷；
②已知：N₂（g）+O₂（g）=2NO（g）△H=+180.5kJ•mol^-1，斷裂1mol N₂、O₂分子中化學(xué)鍵所需要的能量是946kJ、497kJ，根據(jù)△H=反應(yīng)物的總鍵能-生成物的總鍵能計(jì)算；
（2）①根據(jù)前2s內(nèi)NO的濃度變化，求出氮?dú)獾臐舛茸兓�，再根�?jù)V=$\frac{△c}{△t}$來計(jì)算解答；
②分析圖表數(shù)據(jù)，依據(jù)化學(xué)平衡三段式列式計(jì)算平衡濃度，再帶入化學(xué)平衡常數(shù)的表達(dá)式K=$\frac{{c}^{2}（C{O}_{2}）×c（{N}_{2}）}{{c}^{2}（NO）×{c}^{2}（CO）}$計(jì)算；
③根據(jù)化學(xué)反應(yīng)的速率和方向知識(shí)進(jìn)行回答；
④根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康尿?yàn)證溫度、催化劑比表面積對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響規(guī)律，則應(yīng)保證濃度相同，然后相同溫度時(shí)比較催化劑比表面積，相同催化劑比表面積時(shí)比較溫度；
（3）①CO在負(fù)極失電子生成二氧化碳；
②該原電池中b為正極，a為負(fù)極，陰離子從負(fù)極流向正極．

解答 解：（1）①N₂（g）+O₂（g）=2NO（g）△H=+180.5kJ•mol^-1①
2C（s）+O₂（g）=2CO（g）△H=-221.0kJ•mol^-1②
C（s）+O₂（g）=CO₂（g）△H=-393.5kJ•mol^-1③，
根據(jù)蓋斯定律，方程式③×2-①-②得2NO（g）+2CO（g）=N₂（g）+2CO₂（g），△H=（-393.5kJ•mol^-1）×2-（180.5kJ•mol^-1）-（-221.0kJ•mol^-1）=-746.5 kJ•mol^-1；該反應(yīng)正方向?yàn)槲镔|(zhì)的量減少的方向，則正方向的熵變小于零，即△S＜0；該反應(yīng)的焓變小于零，熵變小于零，若要使△H-T△S＜0，則溫度的數(shù)值必須較小，即該反應(yīng)在低溫下自發(fā)進(jìn)行；
故答案為：-746.5 kJ•mol^-1；＜；低溫；
②已知：N₂（g）+O₂（g）=2NO（g）△H=+180.5kJ•mol^-1，斷裂1mol N₂、O₂分子中化學(xué)鍵所需要的能量是946kJ、497kJ，
設(shè)NO的鍵能為QkJ，△H=反應(yīng)物的總鍵能-生成物的總鍵能=946+497-2Q=+180.5，則Q=631.25；
故答案為：631.25；
（2）①由表格中的數(shù)據(jù)可知2s內(nèi)NO濃度的變化量為1.00×10^-3-2.50×10^-4=7.50×10^-4，則氮?dú)獾臐舛茸兓癁?\frac{1}{2}$×7.50×10^-4mol/L，
則υ（N₂）=$\frac{\frac{1}{2}×7.50×1{0}^{-4}}{2}$≈1.88×10^-4mol•L^-1•s^-1；
故答案為：1.88×10^-4mol•L^-1•s^-1；
②分析圖表數(shù)據(jù)，依據(jù)化學(xué)平衡三段式列式計(jì)算平衡濃度：
                  2NO+2CO?2CO₂ +N₂
起始量（mol/L） 1×10^-3  3.6×10^-3     0       0
變化量（mol/L） 9×10^-4    9×10^-4      9×10^-4    4.5×10^-4
平衡量（mol/L） 1×10^-4    2.7×10^-3    9×10^-4    4.5×10^-4
該反應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù)表達(dá)式為K=$\frac{{c}^{2}（C{O}_{2}）×c（{N}_{2}）}{{c}^{2}（NO）×{c}^{2}（CO）}$=$\frac{（9×1{0}^{-4}）^{2}×4.5×1{0}^{-4}}{（1×1{0}^{-4}）^{2}×（2.7×1{0}^{-3}）^{2}}$=5000；
故答案為：5000；
③A．該反應(yīng)的反應(yīng)物混合能穩(wěn)定存，在一定條件下，如加入催化劑才能發(fā)生反應(yīng)，故A錯(cuò)誤；
B．該反應(yīng)進(jìn)行的程度大，反應(yīng)體系達(dá)到平衡時(shí)至少有一種反應(yīng)物的百分含量較小，故B正確；
C．該反應(yīng)在一定條件下能夠自發(fā)進(jìn)行，而且在較短的時(shí)間內(nèi)即可達(dá)到平衡狀態(tài)，故C正確；
D．該反應(yīng)使用催化劑能加快反應(yīng)速率，故D錯(cuò)誤；
故答案為：BC；
④因Ⅰ、Ⅱ比表面積不同，則應(yīng)控制溫度相同，所有濃度應(yīng)控制相同來驗(yàn)證催化劑比表面積對(duì)速率的影響；
Ⅱ、Ⅲ比表面積相同，溫度不同，則所有濃度應(yīng)控制相同來驗(yàn)證反應(yīng)溫度對(duì)速率的影響；
故答案為：

實(shí)驗(yàn) 編號(hào)	t（℃）	NO初始濃度 （mol/L）	CO初始濃度 （mol/L）	催化劑的 比表面積（m2/g）
Ⅰ
Ⅱ	280	1.20×10-3	5.80×10-3
Ⅲ		1.20×10-3	5.80×10-3

；
（3）①CO在負(fù)極失電子生成二氧化碳，則負(fù)極的電極反應(yīng)式為：CO+O^2--2e^-═CO₂，故答案為：CO+O^2--2e^-=CO₂；
②該燃料電池的正極反應(yīng)為：O₂+4e^-=2O^2-，則b為正極，a為負(fù)極，陰離子從負(fù)極流向正極，即O^2-由b極向a極遷移，故答案為：b，a．

點(diǎn)評(píng) 本題考查了熱化學(xué)方程式和蓋斯定律的計(jì)算應(yīng)用、化學(xué)反應(yīng)速率、化學(xué)平衡常數(shù)的計(jì)算應(yīng)用、原電池原理的分析應(yīng)用等，題目涉及的知識(shí)點(diǎn)較多，側(cè)重于考查學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的綜合應(yīng)用能力及計(jì)算能力，掌握基礎(chǔ)是關(guān)鍵，題目難度中等．