Question

2014年初霧霾天氣多次肆虐我國中東部地區(qū)．其中，汽車尾氣和燃煤尾氣是造成空氣污染的原因之一．

（1）汽車尾氣凈化的主要原理為2NO（g）+2CO（g）

催化劑

2CO₂（g）+N₂（g）．在密閉容器中發(fā)生該反應(yīng)時，c（CO₂）隨溫度（T）、催化劑的表面積（S）和時間（t）的變化曲線如圖1所示．據(jù)此判斷：
①該反應(yīng)在

 

能自發(fā)進(jìn)行（填“高溫下”、“低溫下”或“任何溫度下”）；
②在T₂溫度下，0～2s內(nèi)的平均反應(yīng)速率v（N₂）=

 

．
③當(dāng)固體催化劑的質(zhì)量一定時，增大其表面積可提高化學(xué)反應(yīng)速率．若催化劑的表面積S₁＞S₂，在圖1中畫出c（CO₂）在T₁、S₂條件下達(dá)到平衡過程中的變化曲線．
④若該反應(yīng)在絕熱、恒容的密閉體系中進(jìn)行，下列示意圖正確且能說明反應(yīng)在進(jìn)行到t₁時刻達(dá)到平衡狀態(tài)的是

 

．

（2）煤燃燒產(chǎn)生的煙氣含氮的氧化物，用CH₄催化還原NO_x可以消除氮氧化物的污染．
①已知甲烷的燃燒熱為890kJ/mol；1mol水蒸氣變成液態(tài)水放熱44kJ；N₂與O₂生成NO的過程如圖2，CH₄（g）+4NO（g）═2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=

 

．
②在恒壓下，將CH₄（g）和NO₂（g）置于密閉容器中，也可以發(fā)生化學(xué)反應(yīng)：
CH₄（g）+2NO₂（g）

催化劑

N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H＜0，提高NO₂轉(zhuǎn)化率的措施有

 

．
A．增加原催化劑的表面積     B．降低溫度   C．減小投料比[

n(NO2)

n(CH4)

]D．增大壓強(qiáng)
（3）在容積相同的兩個密閉容器內(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，同時分別發(fā)生上述的兩個反應(yīng)：并在t秒時測定其中NO_x轉(zhuǎn)化率，繪得圖象如圖3所示：
①從圖中可以得出的結(jié)論是：
結(jié)論一：在250℃-450℃時，NO_x轉(zhuǎn)化率隨溫度升高而增大，450℃-600℃時NO_x轉(zhuǎn)化率隨溫度升高而減小
推測原因是

 

．
結(jié)論二：

 

．
②收集某汽車尾氣經(jīng)測量NO_x的含量為1.12%（體積分?jǐn)?shù)），若用甲烷將其完全轉(zhuǎn)化為無害氣體（假設(shè)CH₄與NO、NO₂的反應(yīng)進(jìn)行完全），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）=

 

．

Answer 1

考點(diǎn)：物質(zhì)的量或濃度隨時間的變化曲線,反應(yīng)熱和焓變,化學(xué)平衡的影響因素,產(chǎn)物的百分含量隨濃度、時間的變化曲線

專題：基本概念與基本理論

分析：（1）①根據(jù)△H-T△S判斷是否自發(fā)進(jìn)行；
②由圖可知，T₂溫度平衡時，二氧化碳的濃度變化量為0.1mol/L，根據(jù)v=

△c

△t

計算計算v（CO₂），再根據(jù)速率之比等于化學(xué)計量數(shù)之比計算v（N₂）；
③接觸面積越大反應(yīng)速率越快，到達(dá)平衡的時間越短，催化劑的表面積S₁＞S₂，S₂條件下達(dá)到平衡所用時間更長，但催化劑不影響平衡移動，平衡時二氧化碳的濃度與溫度T₁到達(dá)平衡時相同；
④A、到達(dá)平衡后正、逆速率相等，不再變化；
B、到達(dá)平衡后，溫度為定值，平衡常數(shù)不變，結(jié)合反應(yīng)熱判斷隨反應(yīng)進(jìn)行容器內(nèi)溫度變化，判斷溫度對化學(xué)平衡常數(shù)的影響；
C、t₁時刻后二氧化碳、NO的物質(zhì)的量發(fā)生變化，最后不再變化；
D、到達(dá)平衡后各組分的含量不發(fā)生變化；
（2）①根據(jù)圖2寫出熱化學(xué)方程式，利用甲烷燃燒熱寫出熱化學(xué)方程式，根據(jù)1mol水蒸氣變成液態(tài)水放熱44kJ寫出熱化學(xué)方程式，再利用蓋斯定律，由已知熱化學(xué)方程式乘以適當(dāng)?shù)南禂?shù)進(jìn)行加減構(gòu)造目標(biāo)熱化學(xué)方程式；
②根據(jù)化學(xué)平衡移動影響因素判斷；
（3）①根據(jù)圖象中氮氧化物的轉(zhuǎn)化率變化趨勢判斷；根據(jù)圖象中，兩種氮氧化物轉(zhuǎn)化率大小判斷；
②根據(jù)甲烷與氮氧化物反應(yīng)方程式和氮氧化物總物質(zhì)的量，計算NO的物質(zhì)的量，從而計算出V（NO）：V（NO₂）．

解答： 解：（1）①根據(jù)反應(yīng)前氣體體積大于反應(yīng)后氣體體積，則△S＜0，根據(jù)圖1，可知T₁＞T₂，溫度越高n（CO₂）越小，則正反應(yīng)方向△H＜0，當(dāng)△H-T△S＜0，即△H＜T△S，自發(fā)進(jìn)行，所以應(yīng)在低溫下，才會自發(fā)進(jìn)行，
故答案為：低溫下；
②由圖可知，T₂溫度時2s到達(dá)平衡，平衡時二氧化碳的濃度變化量為0.1mol/L，故v（CO₂）=

0.1mol/L

2s

=0.05mol/（L?s），速率之比等于化學(xué)計量數(shù)之比，故v（N₂）=0.5v（CO₂）=0.5×0.05mol/（L?s）=0.025mol/（L?s），
故答案為：0.025mol/（L?s）；
③接觸面積越大反應(yīng)速率越快，到達(dá)平衡的時間越短，催化劑的表面積S₁＞S₂，S₂條件下達(dá)到平衡所用時間更長，但催化劑不影響平衡移動，平衡時二氧化碳的濃度與溫度T₁到達(dá)平衡時相同，故c（CO₂）在T₁、S₂條件下達(dá)到平衡過程中的變化曲線為：，
故答案為：；
④a、到達(dá)平衡后正、逆速率相等，不再變化，t₁時刻V_正最大，之后隨反應(yīng)進(jìn)行速率發(fā)生變化，未到達(dá)平衡，故a錯誤；
b、該反應(yīng)正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，隨反應(yīng)進(jìn)行溫度升高，化學(xué)平衡常數(shù)減小，到達(dá)平衡后，溫度為定值，達(dá)最高，平衡常數(shù)不變，為最小，圖象與實際符合，故b正確，
c、t₁時刻后二氧化碳、NO的物質(zhì)的量發(fā)生變化，t₁時刻未到達(dá)平衡狀態(tài)，故c錯誤；
d、NO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為定值，t₁時刻處于平衡狀態(tài)，故d正確；
故答案為：bd；
（2）①根據(jù)圖2，舊鍵斷裂吸收能量為：945+498=1443KJ/mol，放出能量為：2×630=1260KJ/mol，則熱化學(xué)方程式可寫為：2NO=O₂+N₂，△H=-1260+1443=183KJ/mol①；甲烷燃燒熱為890kJ/mol，可寫出熱化學(xué)方程式為：CH₄（g）+2O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l），△H=-890kJ/mol②；H₂O（g）=H₂O（l），△H=-44kJ/mol③
；利用蓋斯定律可知②+①×2-③×2，可得目標(biāo)熱化學(xué)方程式，則△H=-810.1kJ/mol+183/mol×2-（44kJ/mol）×2=-1168 kJ?mol^-1，
故答案為：-1168 kJ?mol^-1；
②A．增加原催化劑的表面積，同時加快正逆反應(yīng)速率，化學(xué)平衡不移動，故A錯誤；
B．該反應(yīng)△H＜0，正反應(yīng)方向放熱，降低溫度向正反應(yīng)方向進(jìn)行，可提高轉(zhuǎn)化率，故B正確；
C．減小投料比，則相當(dāng)于增大了甲烷濃度，可提高NO₂轉(zhuǎn)化率，故C正確；
D．反應(yīng)前后氣體體積之和相同，增大壓強(qiáng)化學(xué)平衡不發(fā)生移動，故D錯誤；
故選：BC；
（3）①在250℃-450℃時，NO_x轉(zhuǎn)化率隨溫度升高而增大，說明溫度升高有利于反應(yīng)的正向進(jìn)行，推知反應(yīng)未達(dá)化學(xué)平衡狀態(tài)，升高溫度加快反應(yīng)速率，故轉(zhuǎn)化率增大；450℃-600℃（溫度較高）時，轉(zhuǎn)化率降低，即升高溫度，化學(xué)平衡向逆反應(yīng)方向移動，
故答案為：在250℃-450℃時，NO_x轉(zhuǎn)化率隨溫度升高而增大：反應(yīng)未建立平衡，溫度升高反應(yīng)一定正向進(jìn)行；450℃-600℃（溫度較高）時，反應(yīng)已達(dá)平衡，所以，溫度升高平衡逆向移動，NO_x轉(zhuǎn)化率隨溫度升高反而減��；
圖象中不難看出相同溫度下NO轉(zhuǎn)化效率高于NO₂的轉(zhuǎn)化率，故答案為：結(jié)論二 相同溫度下NO轉(zhuǎn)化效率比NO₂的低；
②甲烷物質(zhì)的量為：

30g

16g/mol

=1.875mol，氮氧化物總物質(zhì)的量為：

1×104L×1.12%

22.4L/mol

=5mol，則有n（NO）+n（NO₂）=5mol，

n(NO)

4

+

n(NO2)

2

=1.875mol，解得：n（NO）=n（NO₂）=2.5mol，V（NO）：V（NO₂）=1：1，
故答案為：1：1．

點(diǎn)評：本題考查蓋斯定律、化學(xué)平衡移動和物質(zhì)的量計算，難度不大，其中熱化學(xué)方程式書寫，中焓變的計算，并能分析化學(xué)平衡中轉(zhuǎn)化率曲線的變化．