Question

16．在汽车上安装三效催化转化器，可使汽车尾气中的主要污染物（CO、NO_X、碳氢化合物）进行相互反应，生成无毒物质，减少汽车尾气污染．
（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尾气转化的反应之一：2NO（g）+2CO（g）=N₂（g）+2CO₂（g）△H=-746.5 kJ•mol^-1．该反应△S＜0（填“＞”、“＜”或“=”），在低温（填“高温”“低温”或“任何温度”）下能自发进行．
②已知：分别断裂1mol N₂、O₂分子中化学键所需要的能量是946kJ、497kJ，则断裂1mol NO分子中化学键所需要的能量为631.25kJ．
（2）某研究性学习小组在技术人员的指导下，在某温度时，按下列流程探究某种催化剂作用下的反应速率，用气体传感器测得不同时间的NO和CO浓度如表：
汽车尾气→尾气分析仪→催化反应器→尾气分析仪

时间/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

请回答下列问题（均不考虑温度变化对催化剂催化效率的影响）：
①前2s内的平均反应速率v（N₂）=1.88×10^-4 mol/（L•s）．
②在该温度下，反应的平衡常数K=5000 L/mol．（写出计算结果）
③对于该可逆反应，通过综合分析以上信息，至少可以说明BC （填字母）．
A．该反应的反应物混合后很不稳定
B．该反应体系达到平衡时至少有一种反应物的百分含量减小
C．该反应在一定条件下能自发进行
D．该反应使用催化剂意义不大
④研究表明：在使用等质量催化剂时，增大催化剂比表面积可提高化学反应速率．为了分别验证温度、催化剂比表面积对化学反应速率的影响规律，某同学设计了三组实验，部分实验条件已经填在下面实验设计表中，请在表格中填入剩余的实验条件数据．

实验编号	T/℃	NO初始浓度mol•L-1	CO初始浓度mol•L-1	催化剂的比表面积m2•g-1
Ⅰ	280	1.2×10-3	5.8×10-3	82
Ⅱ				124
Ⅲ	350			124

（3）CO分析仪以燃料电池为工作原理，其装置如图所示，该电池中电解质为氧化钇-氧化钠，其中O^2-可以在固体介质NASICON中自由移动．
①负极的电极反应式为：CO+O^2--2e^-═CO₂．
②工作时O^2-由电极b流向电极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，
根据盖斯定律，方程式③×2-①-②得2NO（g）+2CO（g）=N₂（g）+2CO₂（g），据此计算；根据气体的物质的量变化判断熵变；根据△H-T△S＜0反应自发进行判断；
②已知：N₂（g）+O₂（g）=2NO（g）△H=+180.5kJ•mol^-1，断裂1mol N₂、O₂分子中化学键所需要的能量是946kJ、497kJ，根据△H=反应物的总键能-生成物的总键能计算；
（2）①根据前2s内NO的浓度变化，求出氮气的浓度变化，再根据V=$\frac{△c}{△t}$来计算解答；
②分析图表数据，依据化学平衡三段式列式计算平衡浓度，再带入化学平衡常数的表达式K=$\frac{{c}^{2}（C{O}_{2}）×c（{N}_{2}）}{{c}^{2}（NO）×{c}^{2}（CO）}$计算；
③根据化学反应的速率和方向知识进行回答；
④根据实验目的验证温度、催化剂比表面积对化学反应速率的影响规律，则应保证浓度相同，然后相同温度时比较催化剂比表面积，相同催化剂比表面积时比较温度；
（3）①CO在负极失电子生成二氧化碳；
②该原电池中b为正极，a为负极，阴离子从负极流向正极．

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，
根据盖斯定律，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；该反应正方向为物质的量减少的方向，则正方向的熵变小于零，即△S＜0；该反应的焓变小于零，熵变小于零，若要使△H-T△S＜0，则温度的数值必须较小，即该反应在低温下自发进行；
故答案为：-746.5 kJ•mol^-1；＜；低温；
②已知：N₂（g）+O₂（g）=2NO（g）△H=+180.5kJ•mol^-1，断裂1mol N₂、O₂分子中化学键所需要的能量是946kJ、497kJ，
设NO的键能为QkJ，△H=反应物的总键能-生成物的总键能=946+497-2Q=+180.5，则Q=631.25；
故答案为：631.25；
（2）①由表格中的数据可知2s内NO浓度的变化量为1.00×10^-3-2.50×10^-4=7.50×10^-4，则氮气的浓度变化为$\frac{1}{2}$×7.50×10^-4mol/L，
则υ（N₂）=$\frac{\frac{1}{2}×7.50×1{0}^{-4}}{2}$≈1.88×10^-4mol•L^-1•s^-1；
故答案为：1.88×10^-4mol•L^-1•s^-1；
②分析图表数据，依据化学平衡三段式列式计算平衡浓度：
                  2NO+2CO?2CO₂ +N₂
起始量（mol/L） 1×10^-3  3.6×10^-3     0       0
变化量（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
该反应的化学平衡常数表达式为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；
故答案为：5000；
③A．该反应的反应物混合能稳定存，在一定条件下，如加入催化剂才能发生反应，故A错误；
B．该反应进行的程度大，反应体系达到平衡时至少有一种反应物的百分含量较小，故B正确；
C．该反应在一定条件下能够自发进行，而且在较短的时间内即可达到平衡状态，故C正确；
D．该反应使用催化剂能加快反应速率，故D错误；
故答案为：BC；
④因Ⅰ、Ⅱ比表面积不同，则应控制温度相同，所有浓度应控制相同来验证催化剂比表面积对速率的影响；
Ⅱ、Ⅲ比表面积相同，温度不同，则所有浓度应控制相同来验证反应温度对速率的影响；
故答案为：

实验 编号	t（℃）	NO初始浓度 （mol/L）	CO初始浓度 （mol/L）	催化剂的 比表面积（m2/g）
Ⅰ
Ⅱ	280	1.20×10-3	5.80×10-3
Ⅲ		1.20×10-3	5.80×10-3

；
（3）①CO在负极失电子生成二氧化碳，则负极的电极反应式为：CO+O^2--2e^-═CO₂，故答案为：CO+O^2--2e^-=CO₂；
②该燃料电池的正极反应为：O₂+4e^-=2O^2-，则b为正极，a为负极，阴离子从负极流向正极，即O^2-由b极向a极迁移，故答案为：b，a．

点评 本题考查了热化学方程式和盖斯定律的计算应用、化学反应速率、化学平衡常数的计算应用、原电池原理的分析应用等，题目涉及的知识点较多，侧重于考查学生对基础知识的综合应用能力及计算能力，掌握基础是关键，题目难度中等．