Question

19．随着大气污染的日趋严重，国家拟于“十二五”期间，将二氧化硫（SO₂）排放量减少8%，氮氧化物（NO_x）排放量减少10%．目前，消除大气污染有多种方法．
（1）处理NO_x的一种方法是利用甲烷催化还原NO_x．已知：
CH₄（g）+4NO₂（g）═4NO（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-574kJ•mol^-1
CH₄（g）+4NO（g）═2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-1160kJ•mol^-1
则甲烷直接将NO₂还原为N₂的热化学方程式为CH₄（g）+2 NO₂（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-867kJ•mol^-1．
（2）降低汽车尾气的方法之一是在排气管上安装催化转化器，发生如下反应：2NO（g）+2CO（g）?N₂（g）+2CO₂（g）；△H＜0．若在一定温度下，将2mol NO、1mol CO充入1L固定容积的容器中，反应过程中各物质的浓度变化如图1所示，计算该反应的化学平衡常数：K=$\frac{5}{144}$．若升高温度则平衡常数将变小（变大、不变、变小）．若保持温度不变，20min时再向容器中充入CO、N₂各0.6mol，平衡将不移动
（填“向左”、“向右”或“不”）．
20min时，若改变反应条件，导致N₂浓度发生如图3所示的变化，则改变的条件可能是②（填序号）．
①加入催化剂　  ②降低温度　  ③缩小容器体积　  ④增加CO₂的量
（3）肼（N₂H₄）用亚硝酸氧化可生成氮的另一种氢化物，该氢化物的相对分子质量为43.0，其中氮原子的质量分数为0.977．写出肼与亚硝酸反应的化学方程式N₂H₄+HNO₂═HN₃+2H₂O．
（4）如图2所示装置可用于制备N₂O₅，则生成N₂O₅的那一极电极为阳极（阴、阳极），反应式为N₂O₄-2e^-+2HNO₃═2N₂O₅+2H⁺．
（5）已知某温度下Li₂CO₃的K_sp为1.68×10^-3，将适量Li₂CO₃固体溶于100mL水中至刚好饱和，饱和Li₂CO₃溶液中c（Li⁺）=0.15mol•L^-1．c（CO₃^2-）=0.075mol•L^-1若t₁时刻在上述体系中加入100mL0.125mol•L^-1 Na₂CO₃ 溶液，列式计算说明是否有沉淀产生．
（6）请画出t₁时刻后Li⁺和CO₃^2-浓度随时间变化的关系图（用虚线表示Li⁺，实线表示CO₃^2-）．

Answer 1

分析 （1）①CH₄（g）+4NO₂（g）═4NO（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-574kJ•mol^-1
②CH₄（g）+4NO（g）═2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-1160kJ•mol^-1
由盖斯定律，（①+②）÷2可得：CH₄（g）+2NO₂（g）═N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g），反应热也进行相应的计算；
（2）计算平衡时二氧化碳的浓度，将各组分的平衡浓度代入平衡常数表达式K=$\frac{c（{N}_{2}）×{c}^{2}（C{O}_{2}）}{{c}^{2}（NO）×{c}^{2}（CO）}$计算；
正反应为放热反应，升高温度平衡向逆反应方向移动，平衡常数变小；
判断此时的浓度商与平衡常数关系，进而判断平衡移动方向；
20min时，改变反应条件瞬间N₂浓度不变，而后N₂浓度增大，结合外界条件对平衡影响分析解答；
（3）肼（N₂H₄）用亚硝酸氧化可生成氮的另一种氢化物，该氢化物的相对分子质量为43.0，其中氮原子的质量分数为0.977，则分子中N原子数目为$\frac{43×0.977}{14}$=3，H原子数目为$\frac{43-14×3}{1}$=1，故该氢化物为HN₃，还有水生成，配平书写方程式；
（4）阴极是氢离子放电，阳极应是N₂O₄氧化得到N₂O₅，在硝酸条件下有氢离子生成；
（5）计算混合时溶液中c（Li⁺）、c（CO₃^2-），再计算浓度积，与溶度积比较判断；
（6）结合（5）计算可知t₁时刻瞬间c（Li⁺）、c（CO₃^2-），若没有沉淀析出，则从t₁时刻起为水平线，若有沉淀析出，再根据溶度积计算平衡时c（Li⁺）、c（CO₃^2-），画出变化图象．

解答 解：（1）①CH₄（g）+4NO₂（g）═4NO（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-574kJ•mol^-1
②CH₄（g）+4NO（g）═2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-1160kJ•mol^-1
由盖斯定律（①+②）÷2得到CH₄（g）+2NO₂（g）═N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-867kJ•mol^-1，
故答案为：CH₄（g）+2 NO₂（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-867kJ•mol^-1；
（2）由方程式可知，平衡时二氧化碳的浓度为0.2mol/L×2=0.4mol/L，平衡常数K=$\frac{c（{N}_{2}）×{c}^{2}（C{O}_{2}）}{{c}^{2}（NO）×{c}^{2}（CO）}$=$\frac{0.2×0．{4}^{2}}{1．{6}^{2}×0．{6}^{2}}$=$\frac{5}{144}$；
正反应为放热反应，升高温度平衡向逆反应方向移动，平衡常数变小；
若保持温度不变，20min时再向容器中充入CO、N₂各0.6mol，则浓度商=$\frac{（0.2+0.6）×0．{4}^{2}}{1．{6}^{2}×（0.6+0.6）^{2}}$=$\frac{5}{144}$，等于平衡常数，故平衡不移动，
20min时，改变反应条件瞬间N₂浓度不变，而后N₂浓度增大：
①加入催化剂，平衡不移动，但不到不变，故错误；
②降低温度，瞬间氮气浓度不变，平衡向正反应移动，氮气浓度增大，故正确；
③缩小容器体积，瞬间氮气浓度增大，平衡向向正反应方向移动，但浓度继续增大，故错误；
④增加CO₂的量，瞬间氮气浓度不变，平衡向逆反应移动，氮气浓度减小，故错误，
故答案为：$\frac{5}{144}$；变小；不；②；
（3）肼（N₂H₄）用亚硝酸氧化可生成氮的另一种氢化物，该氢化物的相对分子质量为43.0，其中氮原子的质量分数为0.977，则分子中N原子数目为$\frac{43×0.977}{14}$=3，H原子数目为$\frac{43-14×3}{1}$=1，故该氢化物为HN₃，还有水生成，反应方程式为：N₂H₄+HNO₂═HN₃+2H₂O，
故答案为：N₂H₄+HNO₂═HN₃+2H₂O；
（4）阴极是氢离子放电，阳极应是N₂O₄氧化得到N₂O₅，在硝酸条件下有氢离子生成，阳极电极反应式为：N₂O₄-2e^-+2HNO₃═2N₂O₅+2H⁺，
故答案为：阳极；N₂O₄-2e^-+2HNO₃═2N₂O₅+2H⁺；
（5）若t₁时刻在上述体系中加入100mL0.125mol•L^-1 Na₂CO₃溶液，此时c（Li⁺）=0.075mol/L，c（CO₃^2-）=$\frac{0.075mol+0.125mol}{2}$=0.1mol/L，则c（CO₃^2-）×c²（Li⁺）=5.6×10^-4＜1.68×10^-3，则没有沉淀生成，
答：混合时c（Li⁺）=0.075mol/l、c（CO₃^2-）=0.1mol/L，而c（CO₃^2-）•c²（Li⁺）=5.6×10^-4＜Ksp，所以无沉淀；
（6）由（5）中分析可知，t₁时刻c（Li⁺）=0.075mol/l、c（CO₃^2-）=0.1mol/l，没有沉淀析出，t₁时刻后Li⁺和CO₃^2-浓度画出图象为：，
故答案为：．

点评 本题考查盖斯定律的应用、化学平衡常数计算及应用、化学平衡影响因素、电解池、溶度积有关计算及溶解平衡等，需要学生具备扎实的基础与灵活运用能力，难度中等．