Question

3．环境保护是现代的世界性课题，人类已在多方面取得了突破性进展．
（1）连续自动监测氮氧化物（NO_x）的仪器--动态库仑仪已获得实际应用．它的工作原理如下图一所示．NiO电极上NO发生的电极反应式为NO+O^2--2e^-=NO₂．
（2）使用稀土催化剂有效消除汽车尾气中的NO_x、碳氢化合物也已逐渐成为成熟技术．压缩天然气汽车利用这一技术将NO_x、CH₄转化成无毒物质，相关反应为：
①CH₄（g）+4NO₂（g）═4NO（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₁＜0
②CH₄（g）+4NO（g）═2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₂＜0
③CH₄（g）+2NO₂（g）═N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₃
则△H₃=$\frac{△{H}_{1}+△{H}_{2}}{2}$．（用△H₁和△H₂表示）
（3）实验室在恒压下，将CH₄（g）和NO₂（g）置于密闭容器中发生反应③，测得在不同温度、不同投料比时，NO₂的平衡转化率如下表：

投料比[n（NO2）/n（CH4）]	400K	500K	600K
1	60%	43%	28%
2	45%	33%	20%

①在NO₂与CH₄反应时，可提高NO₂转化率的措施有CEF．（填编号）
A．增加催化剂的表面积B．改用高效催化剂 C．降低温度
D．增大压强E．分离出H₂O（g） F．减小[n（NO₂）/n（CH₄）]
②400K时，将投料比为1的NO₂和CH₄的混合气体共0.40mol，充入容积为2L的装有催化剂的密闭容器中，反应经过5min达到平衡，试计算反应在该温度时的平衡常数．（写出计算过程，计算结果保留三位有效数字）
③若温度不变，在反应进行到10min时将容器的容积快速压缩为1L，请在答题卷表格中画出0min～15min内，容器中CO₂物质的量浓度c随时间变化的曲线图．
（4）SNCR是一种新型的烟气脱氮环保技术．在有氧条件下，其脱氮原理是：NO（g）+4NH₃（g）+O₂（g）═4N₂（g）+6H₂O（g）△H=-1627.2kJ•mol^-1．NO和NH₃在Ag₂O催化剂表面的反应随温度的变化曲线如右图所示．图中曲线表明，随着反应温度的升高，在有氧的条件下NO的转化率有一明显的下降过程，其原因可能是（回答两条）：脱氮反应是放热反应，达到平衡后升高温度，平衡逆向移动；温度升高发生了副反应：4NH₃+5O₂═4NO+6H₂O．

Answer 1

分析 （1）根据图片知，铂电极上氧气得电子作正极，NiO电极上NO失电子发生氧化反应生成NO₂；
（2）根据方程式①②的加减得出化学方程式③，焓变相应的加减，从而计算出△H₃；
（3）①A．催化剂对转化率无影响；
B．催化剂对转化率无影响；
C．该反应为放热反应，降低温度，平衡正移；
D．增大压强，平衡向气体体积减小的方向移动；
E．减少生成物的浓度，平衡正移；
F．由表中数据可知，[n（NO₂）/n（CH₄）]越大，NO₂转化率越小；
②400K时，将投料比为1的NO₂和CH₄的混合气体共0.40mol，则NO₂和CH₄各为0.2mol，NO₂的平衡转化率为60%，利用三段式求出平衡浓度，再求平衡常数K；
③从0～5min，CO₂的浓度从0逐渐增大到0.03mol/L，5min～10min，CO₂的浓度保持不变，在10min时将容器的容积快速压缩为1L，CO₂的浓度瞬间变为0.06mol/L，然后逐渐减小，达到平衡时，CO₂平衡浓度大于0.03 mol/L；
（4）反应4NO（g）+4NH₃（g）+O₂（g）?4N₂（g）+6H₂O（g）△H=-1627.2kJ•mol^-1是放热反应，升温平衡逆向移动，温度升高时还会发生氨气的催化氧化．

解答 解：（1）负极NiO上一氧化氮失电子和氧离子反应生成二氧化氮，电极反应式为NO-2e^-+O^2-═NO₂，
故答案为：NO+O^2--2e^-=NO₂；
（2）①CH₄（g）+4NO₂（g）═4NO（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₁＜0
②CH₄（g）+4NO（g）═2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₂＜0
③CH₄（g）+2NO₂（g）═N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₃
由盖斯定律可知，方程式③=$\frac{1}{2}$（②+①）则△H₃=$\frac{△{H}_{1}+△{H}_{2}}{2}$；
故答案为：$\frac{△{H}_{1}+△{H}_{2}}{2}$；
（3）①A．催化剂对转化率无影响，则增加催化剂的表面积，NO₂转化率不变，故A错误；
B．催化剂对转化率无影响，改用高效催化剂，NO₂转化率不变，故B错误；
C．该反应为放热反应，降低温度，平衡正移，则NO₂转化率增大，故C正确；
D．增大压强，平衡向气体体积减小的方向移动，则平衡向逆方向移动，所以NO₂转化率减小，故D错误；
E．减少生成物的浓度，平衡正移，所以分离出H₂O（g），平衡正移，则NO₂转化率增大，故E正确；
F．由表中数据可知，[n（NO₂）/n（CH₄）]越大，NO₂转化率越小，减小[n（NO₂）/n（CH₄）]，NO₂转化率增大，故F正确；
故答案为：CEF；
②400K时，将投料比为1的NO₂和CH₄的混合气体共0.40mol，则NO₂和CH₄各为0.2mol，NO₂的平衡转化率为60%，
依题意得：CH₄（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）
c（始） mol/L：0.10     0.10      0           0        0
c（变） mol/L：0.03     0.06     0.03      0.03       0.06
c（平 ）mol/L：0.07     0.04     0.03      0.03       0.06
K=$\frac{c（{N}_{2}）•{c}^{2}（{H}_{2}O）•c（C{O}_{2}）}{c（C{H}_{4}）•{c}^{2}（N{O}_{2}）}$=$\frac{0.03×0.0{6}^{2}×0.03}{0.07×0.0{4}^{2}}$=2.89×10^-2，
答：该温度时的平衡常数2.89×10^-2；
③从0～5min，CO₂的浓度从0逐渐增大到0.03mol/L，5min～10min，CO₂的浓度保持不变，在10min时将容器的容积快速压缩为1L，CO₂的浓度瞬间变为0.06mol/L，然后逐渐减小，达到平衡时，CO₂平衡浓度大于0.03 mol/L，则作图为；
故答案为：；
（4）反应4NO（g）+4NH₃（g）+O₂（g）?4N₂（g）+6H₂O（g）△H=-1627.2kJ•mol^-1是放热反应，升温平衡逆向移动，温度升高时还会发生氨气的催化氧化，
故答案为：脱氮反应是放热反应，达到平衡后升高温度，平衡逆向移动；温度升高发生了副反应：4NH₃+5O₂═4NO+6H₂O．

点评 本题考查了盖斯定律的应用、原电池原理及电极反应书写、化学反应速率和化学平衡的影响因素、K的计算等知识，题目难度较大，试题涉及的题量较大，知识点较多、综合性强，熟练掌握知识的迁移和应用是解答本题的关键，试题培养了学生的分析、理解能力及灵活应用所学知识的能力．