题目内容
【题目】近年来，氮氧化物进行治理已成为环境科学的重要课题。
(1)在金属Pt、Cu和铱(Ir)的催化作用下，密闭容器中的H2可高效转化酸性溶液中的硝态氮(NO3-)，其工作原理如图所示。
金属铱(Ir)表面发生了氧化还原反应，其还原产物的电子式是_____；若导电基体上的Pt颗粒增多，不利于降低溶液的含氮量，用电极反应式解释原因 _____________。
(2)在密闭容器中充入 10 mol CO和8 mol NO，发生反应 2NO(g)+2CO(g)
N2(g) +2CO2(g) H<0，如图为平衡时NO的体积分数与温度、压强的关系。
①该反应达到平衡后，为提高反应速率且同时提高转化率，可采取的措施有_______(填序号）。
a．改用高效催化剂 b．缩小容器的体积
c．升高温度 d．减小CO2的浓度
②压强为20 MPa、温度为T2下，若反应达到平衡状态时容器的体积为4 L，则此时CO2的浓度为_______。
③若在D点对反应容器升温的同时增大其体积至体系压强减小，重新达到的平衡状态可能是图中A ~G点中的_______点。
(3)研究表明，NOx的脱除率除与还原剂、催化剂相关外，还与催化剂表面氧缺位的密集程度成正比。以La0.8A0.2BCoO3+x(A、B均为过渡元素)为催化剂，用H2还原NO的机理如下：
第一阶段：B4+(不稳定)+H2→低价态的金属离子(还原前后催化剂中金属原子的个数不变)
第二阶段：NO(g)+□→NO(a) ΔH1 K1 2NO(a)→2N(a)+O2(g) ΔH2 K2
2N(a)→N2(g)+2□ ΔH3 K3 2NO(a)→N2(g)+2O(a) ΔH4 K4
2O(a)→O2(g)+2□ ΔH5 K5
注：“□”表示催化剂表面的氧缺位，“g”表示气态，“a”表示吸附态。
第一阶段用氢气还原B4+得到低价态的金属离子越多，第二阶段反应的速率越快，原因是________________。第二阶段中各反应焓变间的关系：H2+H3=_____；该温度下，NO脱除反应2NO(g)N2(g)+O2(g)的平衡常数K=____ (用含K1、K2、K3的表达式表示）。
【答案】
NO3-+8e-+10H+=NH4++3H2O b 0.25 mol/L A 还原后催化剂中金属原子的个数不变，价态降低，氧缺位增多，反应速率加快 △H4+△H5 
×K2×K3
【解析】
(1)在催化剂表面H2与N2O反应产生N2和H2O，N元素化合价降低，得到电子被还原成N2，2个N原子通过三对共用电子对结合；Pt颗粒会吸附NO3-得到电子反应产生NH4+；
(2)①反应2NO(g)+2CO(g)
N2(g)+2CO2(g) H<0的正反应是气体体积减小的放热反应，利用外界条件对化学反应速率和化学平衡移动的影响分析判断；
②假设反应产生的N2的物质的量为x，根据物质转化关系及反应开始时CO和NO的物质的量，利用平衡时NO的体积分数为40%计算出各物质平衡物质的量，再根据c=
计算CO2的平衡浓度；
③根据温度、压强对平衡移动的影响分析NO的含量分析判断；
(3)还原后催化剂中金属原子的个数不变，价态降低，氧缺位增多，反应速率加快；根据盖斯定律和化学平衡常数的定义分析可得。
(1)在催化剂表面发生氧化还原反应H2+N2O=N2+H2O，N2O被还原产生N2，N原子最外层有5个电子，在N2中2个N原子形成三对共用电子对，使分子中每个原子都达到最外层8个电子的稳定结构，电子式为：；若导电基体上的Pt颗粒过多，会有部分NO3-得到电子与溶液中的H+结合形成NH4+，电极反应式为：NO3-+8e-+10H+=NH4++3H2O，反应产生的NH4+仍然存在于溶液中，因此不利于降低溶液的含氮量；
(2)①a．改用高效催化剂只能加快反应速率但不能使化学平衡发生移动，因此不能提高反应物的转化率，a不符合题意；
b．缩小容器的体积，使体系的压强增大，反应速率增大，化学平衡向气体体积减小的正反应方向移动，反应物的转化率提高，b符合题意；
c．升高温度化学反应速率加快，但由于该反应的正反应是放热反应，升高温度，化学平衡向吸热的逆反应方向移动，反应物的转化率减小，c不符合题意；
d．减小生成物CO2的浓度，化学平衡正向移动，反应物转化率提高，但生成物浓度降低，会使反应速率降低，d不符合题意；
故答案选b；
②向反应容器中加入10 mol CO和8 mol NO ，发生反应：2NO(g)+2CO(g)N2(g)+2CO2(g)，假设反应产生N2的物质的量为x，则CO2为2x mol，消耗NO、CO物质的量都是2x mol，所以平衡时n(CO)=(10-2x) mol，n(NO)=(8-2x) mol，n(CO2)=2x mol，n(N2)=x mol，根据图象可知反应在压强为20 MPa、温度为T2下达到平衡时，NO的体积分数是40%，所以
=40%，解得x=0.5 mol，则平衡时CO2的物质的量为2x=2×0.5 mol=1 mol，由于此时容器的容积为4 L，所以CO2的平衡浓度c(CO2)=
=0.25 mol/L；
③反应2NO(g)+2CO(g)N2(g)+2CO2(g) H<0的正反应是气体体积减小的放热反应，在压强不变时，升高温度，平衡逆向移动，NO的体积分数增大，所以温度T2>T1，将D点的混合物加热，平衡逆向移动NO的体积分数增大；在温度不变时，增大其体积至体系压强减小，化学平衡向气体体积增大的逆反应方向移动，使NO的体积分数增大，故重新达到的平衡状态可能是图中A ~G点中的A点；
(3)第一阶段用氢气还原B4+得到低价态的金属离子越多，还原后催化剂中金属原子的个数不变，价态降低，氧缺位增多，反应速率加快，故第二阶段反应的速率越快；
已知：①NO(g)+□→NO(a) ΔHspan>1 K1
②2NO(a)→2N(a)+O2(g) ΔH2 K2
③2N(a)→N2(g)+2□ ΔH3 K3
④2NO(a)→N2(g)+2O(a) ΔH4 K4
⑤2O(a)→O2(g)+2□ ΔH5 K5
根据盖斯定律：②+③，整理可得：2NO(a)=O2(g)+N2(g)+2□ △H=ΔH2+ΔH3；
根据盖斯定律：④+⑤，整理可得：2NO(a)=O2(g)+N2(g)+2□ △H=ΔH4+ΔH5；所以可得ΔH2+ΔH3=ΔH4+ΔH5；
同理根据盖斯定律：2×①+②+③可得反应该温度下，NO脱除反应2NO(g)N2(g)+O2(g)，故该反应的平衡常数K=×K2×K3。
