Question

二氧化硫和氮氧化物（NOx）对大气污染日趋严重，研究消除大气污染的方法是化学工作者的重要课题，目前有很多种方法消除大气污染．

（1）可利用甲烷催化还原NOx的方法处理NO_x，反应如下：
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CH₄（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）；△H=______；
（2）汽车尾气中的主要污染物有CO、NOx、碳氢化合物等，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．
生成无毒物质，减少汽车尾气污染．若在一定温度下，将2molNO、1molCO充入1L固定容积的容器中，15分钟后达到平衡，反应过程中各物质的浓度变化如图1所示，则
①前15s内的平均反应速率v （N₂）=______（小数点保留3位）；
②该反应平衡常数K=______（小数点保留3位）；
③若保持温度不变，20min时再向容器中充入CO、N₂各0.6mol，平衡将______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1所示的变化，则改变的条件可能是______（填序号）；
a  加入催化剂   b  降低温度   c  缩小容器体积   d  增加CO₂的量
④该可逆反应△S______0（填“＞”、“＜”或“=”），在______（填“高温”、“低温”或“任何温度”）下能自发进行．
（3）CO分析仪以燃料电池为工作原理，其装置如图2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．下列说法错误的是______
A．负极的电极反应式为：CO+O^2--2e^-=CO₂
B．工作时电极b作正极，O^2-由电极a流向电极b
C．工作时电子由电极a通过传感器流向电极b
D．传感器中通过的电流越大，尾气中CO的含量越高
（4）利用Fe²⁺、Fe³⁺的催化作用，常温下将SO₂转化为SO₄^2- 而实现对SO₂的处理目的．其中Fe³⁺的最外层电子排布式为______；SO₂的VSEPR模型名称为______；与SO₂互为等电子体的离子有______．
（5）N₂O₅是重要的硝化剂和氧化剂，可用电解法制备N₂O₅，如图3所示，N₂O₅在电解池的______（填“阳极”或“阴极”）区生成，其电极反应式为______．

Answer 1

【答案】分析：（1）依据热化学方程式和盖斯定律计算得到；
（2）①依据化学反应速率概念结合图象分析单位时间内物质浓度的变化计算；
②依据图象计算平衡状态物质的浓度结合平衡常数计算平衡常数；
③依据浓度商和平衡常数比较分析判断；
④依据△H-T△S＜0是自发进行的反应分析判断；
（3）该装置是原电池，负极上一氧化碳失电子发生氧化反应，正极上氧气得电子发生还原反应，原电池放电时电子从负极流向正极，阴离子向负极移动，一氧化碳的含量越大，原电池放电时产生的电流越大；
（4）铁是26号元素，其核外有26个电子，根据构造原理书写其核外电子排布式得到Fe³⁺的最外层电子排布式；VSEPR模型为平面三角形中心原子的价层电子对数是3；等电子体是具有相同原子数和价电子数的分子或离子叫等电子体，等电子体具有相似的结构和性质；
（5）由N₂O₄制取N₂O₅需要失去电子，所以N₂O₅在阳极区生成．
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；
依据盖斯定律计算①+②得到：CH₄（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-867 kJ/mol；
故答案为：△H=-867 kJ/mol；
（2）①图象分析，前15分钟达到平衡时，氮气浓度增大为0.2mol/L，所以前15s内的平均反应速率v （N₂）==0.013 mol/（L?s），
故答案为：0.013 mol/（L?s）；
②依据图象分析，15分钟时达到平衡时氮气浓度为0.2mol/L，NO平衡浓度为0.8mol/L，一氧化碳浓度为0.6mol/L，二氧化碳浓度为0.4mol/L，
2NO（g）+2CO（g）?N₂（g）+2CO₂（g）△H＜0；
平衡常数K===0.035，故答案为：0.035；
③若保持温度不变，20min时再向容器中充入CO、N₂各0.6mol，浓度分别为c（NO）=1.6mol/L，c（CO）=0.6mol/L+0.6mol/L=1.2mol/L，c（N₂）=0.2mol/L+0.6mol/L=0.8mol/L，c（CO₂）=0.4mol/L；Qc===0.035=K，平衡不动，20min时，若改变反应条件，导致N₂浓度发生如图1所示的变化，斜率减小反应速率减小，氮气浓度增大，反应是气体体积减小的放热反应，则改变的条件可能是降温，
故答案为：不移动；b；
④2NO（g）+2CO（g）?N₂（g）+2CO₂（g）；△H＜0．反应可知△S＜0；
依据△H-T△S＜0是自发进行的反应；△H＜0，△S＜0，满足条件△H-T△S＜0，应该在低温条件下进行可以自发进行，
故答案为：＜；低温；
（3）A．该装置是原电池，通入一氧化碳的电极a是负极，负极上一氧化碳失电子发生氧化反应，电极反应式为：CO+O^2--2e^-═CO₂，故A正确；
B．工作时电极b作正极，O^2-由电极b流向电极a，故B错误；
C．该装置是原电池，通入一氧化碳的电极a是负极，通入空气的电极是正极，原电池放电时，电子从负极a通过传感器流向电极b，故C正确；
D．一氧化碳的含量越大，原电池放电时产生的电流越大，故D正确；
故答案为：B；
（4）铁是26号元素，其核外有26个电子，失去三个电子后和铁离子最外层电子排布式：3s²3p⁶3d⁵；SO₂中S原子的价层电子对为=3，VSEPR模型为平面三角形；与SO₂互为等电子体的离子有 NO₂^-；
故答案为：3s²3p⁶3d⁵；平面三角形；NO₂^-；
（5）从电解原理来看，N₂O₄制备N₂O₅为氧化反应，则N₂O₅应在阳极区生成，反应式为N₂O₄+2HNO₃-2e^-=2N₂O₅+2H⁺，故答案为：阳极；N₂O₄-2e^-+2HNO₃=2N₂O₅+2H⁺．
点评：本题考查热化学方程式和盖斯定律的计算应用，化学平衡影响因素分析，平衡常数、速率的计算方法，平衡移动原理的应用，原电池、电解池原理分析应用，题目难度较大．