Question

5．（1）汽车排气管内安装的催化转化器，可使尾气中主要污染物（NO和CO）转化为无毒物质．
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
则该反应的热化学方程式为：2NO（g）+2CO（g）=N₂（g）+2CO₂（g）△H=-746.5kJ•mol^-1 ；
（2）NO₂与SO₂混合可发生反应：NO₂+SO₂?SO₃+NO．
I．100℃时，1mol NO₂与1mol SO₂的混合气体置于绝热恒容密闭容器中发生上述反应，
①下列说法正确的是CE（填字母）；
A．反应在c点达到平衡状态
B．反应物浓度：a点小于b点
C．反应物的总能量高于生成物的总能量
D．△t₁=△t₂时，SO₂的消耗量：a～b段大于b～c段
E．当反应达到平衡时，继续充入1mol NO₂，则NO的体积分数将变小
②判断此反应达到平衡的标志是ADEF；
A．体系的压强不再发生变化               B．混合气体的密度不变
C．混合气体的平均相对分子质量不变       D．各组分的物质的量浓度不再改变
E．体系的温度不再发生变化               F．v（NO₂）_正=v（NO）_逆
II．在常温时，维持体系总压强p恒定，体积为V升的1mol NO₂与1mol SO₂的混合气体于密闭容器中发生上述反应．已知NO₂的平衡转化率为α，则在该温度下反应的平衡常数K=$\frac{{a}^{2}}{（1-a）^{2}}$（用α、V等符号表示）；
（3）熔融盐燃料电池具有较高的发电效率，因而受到重视．某燃料电池以熔融的K₂CO₃（其中不含O^2-和HCO₃^-）为电解质，以丁烷为燃料，以空气为氧化剂，以具有催化作用和导电性能的稀土金属材料为电极．试回答下列问题：
①该燃料电池正极电极反应式为：O₂+2CO₂+4e^-=2CO₃^2-；
②25℃时，某学生想用该燃料电池电解一定量的硫酸钠饱和溶液，当电路中有a mol电子转移，溶液中析出mg Na₂SO₄•10H₂O晶体．若温度不变，在剩余溶液中溶质的质量分数为$\frac{71m}{161（m+9a）}$×100%，消耗掉的丁烷在标准状况下的体积为0.86a．

Answer 1

分析 （1）①N₂（g）+O₂（g）=2NO（g）△H=+180.5kJ•mol^-1
②2C（s）+O₂（g）=2CO（g）△H=-221.0kJ•mol^-1
③C（s）+O₂（g）=CO₂（g）△H=-393.5kJ•mol^-1
根据盖斯定律可得：③×2-①-②，由此分析解答；
（2）①A．反应在达到平衡状态时，反应速率应保持不变；
B．随着反应的进行，反应物浓度越来越小；
C．根据图可知，该反应在绝热条件下进行，反应速率受温度和浓度的因素影响，反应速率先增大后减小，说明该反应为放热反应，先由于温度升高反应速率增大，后浓度下降，反应速率下降，所以反应物的总能量高于生成物的总能量；
D．根据图可知，ab段的速率小于bc段，所以△t₁=△t₂时，SO₂的消耗量：a～b段小于b～c段；
E．当反应达到平衡时，继续充入1mol NO₂，平衡正向浓度，但转化的二氧化氮远远小于加入的二氧化氮；
②该反应为气体体积不变的放热反应，在绝热的条件下进行，则体系的温度是不断升高的，直至平衡状态，根据平衡状态的特征：正逆反应速率相等，各组份的分数或浓度保持不变，及某些外部特征不变判断反应是否处于平衡状态；
II．根据反应NO₂+SO₂?SO₃+NO，利用三段式，根据K=$\frac{c（NO）．c（S{O}_{3}）}{c（N{O}_{2}）．c（S{O}_{2}）}$计算；
（3）①某燃料电池以熔融的K₂CO₃（其中不含O^2-和HCO₃^-）为电解质，以丁烷为燃料，以空气为氧化剂，则正极电极为氧气发生还原反应生成碳酸根离子；
②电解硫酸钠饱和溶液即电解水，所以当电路中有amol电子转移时，消耗的水的质量为 $\frac{a}{2}$×18g=9ag，结合析出的mgNa₂SO₄•10H₂O晶体，可计算出原饱和溶液的溶质的质量分数，剩余溶液中溶质的质量分数与原饱和溶液的溶质的质量分数相等，根据原池的负极反应C₄H₁₀-26e^-+13CO₃^2-=17CO₂+5H₂O可知，当电路中有amol电子转移时，消耗掉的丁烷的物质的量为$\frac{a}{26}$mol．

解答 解：（1）N₂（g）+O₂（g）═2NO（g）；△H=+180.5kJ/mo1①
    2C（s）+O₂（g）═2CO（g）；△H=-221.0kJ/mo1②
    C（s）+O₂（g）═CO₂（g）；△H=-393.5kJ/mo1③
根据盖斯定律可得：③×2-①-②，2NO（g）+2CO（g）=N₂（g）+2CO₂（g）△H=-746.5 kJ•mol^-1，
故答案为：2NO（g）+2CO（g）=N₂（g）+2CO₂（g）△H=-746.5kJ/mol；
（2）I．①A．反应在达到平衡状态时，反应速率应保持不变，故A错误；
B．随着反应的进行，反应物浓度越来越小，所以反应物浓度：a点大于b点，故B错误；
C．根据图可知，该反应在绝热条件下进行，反应速率受温度和浓度的因素影响，反应速率先增大后减小，说明该反应为放热反应，先由于温度升高反应速率增大，后浓度下降，反应速率下降，所以反应物的总能量高于生成物的总能量，故C正确；
D．根据图可知，ab段的速率小于bc段，所以△t₁=△t₂时，SO₂的消耗量：a～b段小于b～c段，故D错误；
E．当反应达到平衡时，继续充入1mol NO₂，平衡正向浓度，但转化的二氧化氮远远小于加入的二氧化氮，NO的浓度减小，故E正确；
故选CE；
②该反应为气体体积不变的放热反应，在绝热的条件下进行，则体系的温度是不断升高的，直至平衡状态，
A．根据上面的分析可知，反应过程中温度升高，体积不变，则体系压强增大，当体系的压强不再发生变化，则说明反应已经处于平衡状态，故A正确；
 B．该反应体积不变，质量守恒，所以混合气体的密度不随反应的进行而改变，故不能作为平衡状态的判断标志，故B错误；
C．反应前后质量和物质的量都不变，所以混合气体的平均相对分子质量不能作为平衡状态的判断标志，故C错误； 
 D．各组分的物质的量浓度不再改变，则反应处于平衡状态，故D正确；
E．根据上面的分析可知，体系的温度不再发生变化，反应处于平衡状态，故E正确；
 F．v（NO₂）_正=v（NO）_逆，则反应处于平衡状态，故F正确；
故选ADEF；
II．由于反应中各物质的计量数都是1，且在同一个容器进行反应，所以各物质的浓度关系就可以用物质的量表示，利用三段式，
      NO₂+SO₂?SO₃+NO
起始   1   1
转化   α   α   α   α
平衡  1-α  1-α α   α 
所以K=$\frac{c（NO）．c（S{O}_{3}）}{c（N{O}_{2}）．c（S{O}_{2}）}$=$\frac{{a}^{2}}{（1-a）^{2}}$，
故答案为：$\frac{{a}^{2}}{（1-a）^{2}}$；
（3）①某燃料电池以熔融的K₂CO₃（其中不含O^2-和HCO₃^-）为电解质，以丁烷为燃料，以空气为氧化剂，则正极电极为氧气发生还原反应生成碳酸根离子，电极反应式为O₂+CO₂+2e^-=CO₃^2-，
故答案为：O₂+CO₂+2e^-=CO₃^2-；
②电解硫酸钠饱和溶液即电解水，所以当电路中有amol电子转移时，消耗的水的质量为 $\frac{a}{2}$×18g=9ag，结合析出的mgNa₂SO₄•10H₂O晶体，所以原饱和溶液的溶质的质量分数为$\frac{\frac{142}{322}×m}{9a+m}$×100%=$\frac{71m}{161（m+9a）}$×100%，剩余溶液中溶质的质量分数与原饱和溶液的溶质的质量分数相等，也为$\frac{71m}{161（m+9a）}$×100%，根据原池的负极反应C₄H₁₀-26e^-+13CO₃^2-=17CO₂+5H₂O可知，当电路中有amol电子转移时，消耗掉的丁烷的物质的量为$\frac{a}{26}$mol，其体积为$\frac{a}{26}$mol×22.4L/mol=0.86aL，
故答案为：$\frac{71m}{161（m+9a）}$×100%；0.86a．

点评 本题考查化学平衡计算、原电池和电解池原理，明确化学反应原理及各个物理量的关系是解本题关键，运用所掌握的知识进行必要的分析、类推或计算，解释、论证一些具体化学问题，注意化学平衡计算中三段式的计算方法，题目难度中等．