Question

【題目】汽車尾氣污染是由汽車排放的廢氣造成的環(huán)境污染。主要污染物為一氧化碳、碳氫化合物、氮氧化合物等，對人類和動、植物危害甚大。解決汽車尾氣問題的主要方法是研究高效催化劑促使尾氣中的一氧化碳和氮氧化物反應(yīng)，轉(zhuǎn)化成無污染的氮氣和二氧化碳。

回答下列問題：

(1)在Co+的催化作用下，CO(g)還原N2O(g)的反應(yīng)歷程和能量變化如圖所示(逸出后物質(zhì)認為狀態(tài)下發(fā)生變化，在圖中略去)。已知總反應(yīng)的化學方程式為：CO(g)+N2O(g)CO2(g)+N2(g)。

該反應(yīng)分兩步進行：

第一步：Co+(s)+N2O(g)CoO+(s)+N2(g) △H1=+15.9kJmol-1；

笫二步：___；△H2=___；

①填寫第二步反應(yīng)的熱化學方程式，并根據(jù)反應(yīng)歷程圖計算△H2的數(shù)值。

②該反應(yīng)的最高能壘(活化能)為___。

(2)500℃條件下，在容積均為2L的三個密閉容器中，按不同方式投入反應(yīng)物，發(fā)生上述反應(yīng)，測得相關(guān)數(shù)據(jù)如下表：

容器	反應(yīng)物投入的量	平衡時 n(N2/mol)	達到平衡所需時間/min	平衡時能量變化/kJ
甲	1molCO和1molN2O	n1	t1	放熱Q1
乙	2molCO和2molN2O	n2	t2	放熱Q2
丙	2molCO2和2molN2	n3	t3	吸熱Q3

①Q1+___358.6(填“>”“=”或“<”下同，t1___t2；

②500℃條件下，乙和丙兩容器，氣體混合物中N2O的物質(zhì)的量分數(shù)x(N2O)與反應(yīng)時間t的關(guān)系如下表：

	t/s	0	20	40	60	80	120
乙	x(N2O)	0.5	0.32	0.20	0.12	0.088	0.07
丙	x(N2O)	0	0.030	0.048	0.059	0.065	0.07

根據(jù)上述實驗結(jié)果，計算出乙容器中0~20s時間內(nèi)的化學反應(yīng)速率v(CO)=___；該反應(yīng)的平衡常數(shù)K數(shù)值為：___；(保留3位有效數(shù)字)

③請推測并在圖中畫出甲容器中x(N2O)隨時間變化的關(guān)系圖象，標出恰好達到平衡時刻點的位置___。

(3)若將CO(g)還原N2O(g)的反應(yīng)設(shè)計成如圖的原電池裝置，則該電池正極的電極反應(yīng)式為___。

Answer 1

【答案】CoO+(s)+CO(g)Co+(s)+CO2(g) -374.5kJmol-1 143.8kJmol-1 = > 0.018molL-1s-1 37.7 ［達到平衡時，x(N2O)=0.07對應(yīng)的點在120s之后即可] N2O+2e-+2H+=N2+H2O

【解析】

(2)有反應(yīng)歷程可知CO(g)+N2O(g)CO2(g)+N2(g)△H=-358.6kJ/mol，該反應(yīng)屬于氣體反應(yīng)前后氣體系數(shù)相等的可逆反應(yīng)，只要初始加入反應(yīng)物的量成比例，達到平衡時兩個容器中各氣體的百分含量相等，屬于等效平衡。

(1)①總反應(yīng)方程式為CO(g)+N2O(g)CO2(g)+N2(g)；第一步反應(yīng)為Co+(s)+ N2O(g)CoO+(s)+ N2(g)H1=+15.9kJmol-1；第二步反應(yīng)=總反應(yīng)-第一步反應(yīng)，所以第二步反應(yīng)為CoO+(s)+CO(g)Co+(s)+CO2(g)；據(jù)圖可知該反應(yīng)初始時的相對能量為+15.9kJ/mol，末態(tài)的相對能量為-358.6kJ/mol，所以該反應(yīng)的△H2=-358.6kJ/mol-15.9kJ/mol=-374.5 kJ/mol；

②根據(jù)反應(yīng)歷程圖像中的數(shù)據(jù)可知，有-127.9 kJ/mol到+15.9 kJ/mol這兩個能量狀態(tài)之間轉(zhuǎn)化過程中壘能最高，為143.8 kJ/mol；

(2)①丙中投料為2molCO2和2molN2，完全轉(zhuǎn)化相當于2molCO和2molN2O，所以平衡時與甲容器為等效平衡，又因為丙中投料為甲的2倍，所以Q1+=358.6kJ/mol；甲乙兩個容器中反應(yīng)物的物質(zhì)的量濃度不同，乙容器中濃度更大，反應(yīng)速率更快，所以t1> t2；

②該反應(yīng)前后氣體系數(shù)之和相等，所以反應(yīng)過程中氣體的總物質(zhì)的量不變，為2mol+2mol=4mol，乙容器中0~20s時間內(nèi)的化學反應(yīng)速率v(N2O)=0.018molL-1s-1，同一反應(yīng)同一時段內(nèi)反應(yīng)速率之比等于計量數(shù)之比，所以v(CO)= v(N2O)= 0.018molL-1s-1；

丙中投料極限轉(zhuǎn)化和乙完全相同，所以兩容器達到平衡時各物質(zhì)的物質(zhì)的量分數(shù)相同，根據(jù)表格數(shù)據(jù)可知120s后，兩容器中N2O的物質(zhì)的量分數(shù)均為0.07，所以此時反應(yīng)達到平衡，平衡時，N2O的物質(zhì)的量分數(shù)為0.07，根據(jù)反應(yīng)方程式可知，CO為0.07，N2為0.43，CO2為0.43，該反應(yīng)前后氣體系數(shù)之和相等，所以可以用物質(zhì)的量分數(shù)代替濃度計算平衡常數(shù)，所以K=；

③由于是等效平衡，甲容器比乙容器的壓強小，反應(yīng)速率慢，所以甲容器中N2O的物質(zhì)的量分數(shù)x(N2O)與反應(yīng)時間t的關(guān)系圖與表格中乙容器的反應(yīng)數(shù)據(jù)趨勢相似，但到達平衡時間比乙長，因此圖像為，［達到平衡時，x(N2O)=0.07對應(yīng)的點在120s之后即可]；

(3)原電池中正極發(fā)生還原反應(yīng)，據(jù)圖可知該過程中N2O被還原成N2，電解質(zhì)溶液為稀硫酸，應(yīng)還生成水，所以電極方程式為N2O+2e-+2H+=N2+H2O。