Question

1．燃煤和汽车产生的氮氧化物、碳氧化物是造成空气污染的重要原因．依据信息回答下列问题．
I．用CH₄催化还原氮氧化物可以消除氮氧化物的污染．己知：
①CH₄（g）+4NO₂（g）═4NO（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₁=-574kJ•mol^-1
②CH₄（g）+4NO（g）═2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₂=-1160kJ•mol^-1
③CH₄（g）+2NO₂（g）═N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₃
（1）△H₃=CH₄（g）+2NO₂（g）═N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-867kJ•mol^-1．
Ⅱ．汽车尾气净化的主要原理为：2NO（g）+2CO（g）$\stackrel{催化剂}{?}$2CO₂（g）+N₂（g）△H＜0 
（2）若该反应在恒温、恒压的密闭体系中进行，下列叙述能说明反应达到平衡状态的是ac．
a．容器总体积不再改变      b．n（NO）=n（CO₂）    c．v_正（CO）=v_逆（CO₂）
（3）在一定温度下，向2L的恒容密闭容器中充入O．lmol NO和0.3molCO，如图1为容器内的压强（P）与起始压强（P${\;}_{{\;}_{0}}$）的比值（$\frac{P}{{P}_{0}}$）随时间的变化曲线．
①该反应的化学平衡常数K表达式为$\frac{{C}^{2}（C{O}_{2}）•C（{N}_{2}）}{{C}^{2}（NO）•{C}^{2}（CO）}$；
②0～5min内，该反应的平均反应速率v（N₂）=0.003mol/（L•min）；
③若13min时，向该容器中再充入0.06molCO，15min时再次达到平衡，此时容器内$\frac{P}{{P}_{0}}$的比值应在图1中A点的下方 （填“上方”、“重合”或“下方”）
Ⅲ．将燃煤产生的CO₂回收利用．也可达到低碳排放的目的． 
（4）如图2是通过人工光合作用，以CO₂和H₂O为原料制备HCOOH和O₂的原理示意图．催化剂b表面发生的电极反应式为CO₂+2H⁺+2e^-=HCOOH．常温下.0.1mol/L 的HCOONa 溶液pH为9，则HCOOH的电离常数K_a=10^-7．

Answer 1

分析 （1）已知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=-1 160kJ•mol^-1，
利用盖斯定律③=$\frac{①+②}{2}$，
可得CH₄（g）+2NO₂（g）═N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g），△H=-$\frac{574+1160}{2}$kJ•mol^-1=867kJ•mol^-1，以此解答该题；
（2）当化学反应达到平衡状态时，正逆反应速率相等，各物质的浓度不再发生变化，进行分析解答该题；
（3）①根据反应方程式可以写出平衡常数表达式；②根据反应前后压强的变化可以求算出N₂物质的量的变化，运用化学反应速率求算公式据算出结果；③根据13min钟时压强为起始时的0.9可以推算此时容器内的气体总的物质的量，再通入0.06molCO可推出压强为起始时的1.05倍，根据平衡移动原理可以得出结论；
（4）由图可知，左室投入水，生成氧气与氢离子，催化剂a表面发生氧化反应，为负极，右室通入二氧化碳，酸性条件下生成HCOOH；计算水解平衡常数Kh，再根据Ka=$\frac{{K}_{W}}{{K}_{h}}$计算．

解答 解：（1）已知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=-1 160kJ•mol^-1，
利用盖斯定律将得③=$\frac{①+②}{2}$，
可得CH₄（g）+2NO₂（g）═N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g），△H=-$\frac{574+1160}{2}$kJ•mol^-1=-867kJ•mol^-1
故答案为：CH₄（g）+2NO₂（g）═N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-867kJ•mol^-1；
（2）已知反应为2NO（g）+2CO（g）$\stackrel{催化剂}{?}$2CO₂（g）+N₂（g）△H＜0，恒压条件下反应正向、逆向体积都发生变化，如果体积不变说明反应达到平衡状态，故a正确；达到平衡时各组分的物质的量不变，故答案b错误；根据平衡时正逆反应速率相等可以推断c正确，
故答案为ac；
（3）①根据反应方程式2NO（g）+2CO（g）$\stackrel{催化剂}{?}$2CO₂（g）+N₂可以写出平衡常数为$\frac{{{C}^{2}}_{（C{O}_{2）}}•C（{N}_{2}）}{{C}^{2}（NO）•{C}^{2}（CO）}$，故答案为$\frac{{C}^{2}（C{O}_{2}）•C（{N}_{2}）}{{C}^{2}（NO）•{C}^{2}（CO）}$；
②2NO+2CO?2CO₂ +N₂
起始：0.1                0.3
△：x                  x              x           0.5x
平衡：0.1-x           0.3-x            x            0.5x
$\frac{P}{{P}_{0}}$=$\frac{0.1-x+0.3-x+x+0.5x}{0.1+0.3}$=0.925，x=0.06mol，${V}_{（{N}_{2}）}$=$\frac{△C（{N}_{2}）}{△t}$=$\frac{\frac{0.06mol}{2L}}{5min}$=0.003mol/（L•min）；
③2    NO（g）+2CO（g）?2CO₂（g）+N_2（g）
起始：0.1                    0.3
△：a                       a                    a                     0.5a
平衡：0.1-a                   0.3-a                 a                     0.5a
$\frac{0.1-a+0.3-a+a+0.5a}{0.1+0.3}$=0.9    a=0.08mol   此时容器内气体总物质的量为0.36mol，再加入0.06mol，气体总物质的量0.42，此时压强为起始压强的$\frac{0.42}{0.4}$=1.05，依据平衡移动原理可知加入CO平衡向正向移动，气体体积减小，压强减小，所以压强与起始压强的比值＜1.05，
故答案为：下方；
（4）由图可知，左室投入水，生成氧气与氢离子，催化剂a表面发生氧化反应，为负极，右室通入二氧化碳，酸性条件下生成HCOOH，电极反应式为CO₂+2H⁺+2e^-=HCOOH，
故答案为：CO₂+2H⁺+2e^-=HCOOH；
常温下，0.1mol/L的HCOONa溶液pH为10，溶液中存在HCOO^-水解HCOO^-+H₂O?HCOOH+OH^-，故K_h=$\frac{{C}_{（OH-）•}{C}_{（HCOOH）}}{{C}_{（HCOO-）}}$=$\frac{10-4×10-4}{0.1-10-4}$=10^-7，则HCOOH的电离常数Ka=$\frac{{C}_{（H+）}•C（HCOO-）}{C（HCOOH）}$=$\frac{KW}{Kh}$=$\frac{1{0}^{-14}}{{10}^{-7}}$=10^-7，
故答案为：10^-7．

点评 本题考查化学平衡图象、化学反应速率、影响化学平衡的因素、热化学方程式书写、原电池、电离平衡常数与水解平衡常数等，题目综合性较大，难度中等，是对知识的综合利用、注意基础知识的理解掌握．