Question

3．汽车尾气排放的一氧化碳、氮氧化物等气体已成为大气污染的主要来源．德国大众汽车尾气检测造假事件引起全世界震惊．根据下列示意图（如图1）回答有关问题：

（1）汽车发动机工作时会引发N₂（g）+O₂（g）=2NO（g）△H=+180kJ•mol^-1，其能量变化示意图如下：

则NO中氮氧键的键能为632kJ•mol^-1．
（2）空燃比过小易产生CO．有人提出可以设计反应2CO（g）=2C（s）+O₂（g）来消除CO的污染．判断该设想是否可行，并说出理由不合理，该反应焓增、熵减，任何条件下都不能自发进行或该反应△H＞0，△S＜0则△G＞0．
（3）利用活性炭涂层排气管处理NO_x的反应为：xC（s）+2NO_x（g）?N₂（g）+xCO₂ （g）△H=-b kJ•mol^-1．若使NO_x更加有效的转化为无毒尾气排放，以下措施理论上可行的是AD．
A．增加排气管长度      B．增大尾气排放口
C．升高排气管温度      D．添加合适的催化剂
（4）催化装置中涉及的反应之一为：2NO（g）+2CO（g）?N₂（g）+2CO₂（g）．

①探究上述反应中NO的平衡转化率与压强、温度的关系，得到图2所示的曲线．催化装置比较适合的温度和压强是400K，1MPa．
②测试某型号汽车在冷启动（冷启动指发动机水温低的情况下启动）时催化装置内CO和NO百分含量随时间变化曲线如图3所示．则前10s 内，CO和NO百分含量没明显变化的原因是尚未达到催化剂工作温度（或尚未达到反应的温度）．
③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，某同学设计了以下三组实验：

实验编号	T（K）	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）
Ⅰ	400	1.00×10-3	3.60×10-3	82
Ⅱ	400	1.00×10-3	3.60×10-3	124
Ⅲ	450	1.00×10-3	3.60×10-3	124

根据坐标图4，计算400K时该反应的平衡常数为5000L•mol^-1；并在图中画出上表中的实验Ⅱ、Ⅲ条件下混合气体中NO浓度随时间变化的趋势曲线图（标明各条曲线的实验编号）．

Answer 1

分析 （1）△H=反应物的键能总和-生成物的键能总和；
（2）根据△H-T△H＜0来判断反应的自发性；
（3）A．增加排气管长度，增大了相当于增大了固体的接触面积，加快了化学反应速率，对平衡无影响；
B．增大尾气排放口，对反应速率和平衡不产生影响；
C．升高排气管温度，温度升高，平衡左移，不利于NO_x转化；
D．添加合适的催化剂，加快化学反应速率，对平衡无影响；
（4）①综合考虑NO的转化率和成本；
②汽车冷启动时的尾气催化处理CO、NO百分含量随时间变化曲线变化分析，开始的气体含量变化不大，说明温度低，催化剂的作用未起作用；
③结合表格中的浓度，利用三段法列出400K时平衡浓度，带入平衡常数表达式计算；根据外界条件对化学反应速率和化学平衡的影响判断．

解答 解：（1）设NO中氮氧键的键能为x，
△H=反应物的键能总和-生成物的键能总和=（946+498）kJ•mol^-1-2×x=180kJ•mol^-1，解得x=632 kJ•mol^-1，
故答案为：632；
（2）2CO（g）=2C（s）+O₂（g）（△H＞0、△S＜0）是一个焓增、熵减的反应，任何情况下不能自发进行，所以无法消除CO的污染，
故答案为：不合理，该反应焓增、熵减，任何条件下都不能自发进行或该反应△H＞0，△S＜0则△G＞0；
（3）xC（s）+2NO_x（g）?N₂（g）+xCO₂ （g）△H=-b kJ•mol^-1．此反应为放热反应，
A．增加排气管长度，增大了相当于增大了固体的接触面积，加快了化学反应速率，故A正确；
B．增大尾气排放口，对反应速率和平衡不产生影响，故B错误；
C．升高排气管温度，温度升高，平衡左移，不利于NO_x转化，故C错误；
D．添加合适的催化剂，加快化学反应速率，故D正确；
故答案为：AD；
（4）①由图2可知，等压条件下，温度越低，NO的转化率越高，因此温度选400K，同温下，NO的转化率随着温度的升高变化不大，所以选用较为经济的1MPa，
故答案为：400K，1MPa：
②汽车冷启动时的尾气催化处理CO、NO百分含量随时间变化曲线变化分析，开始的气体含量变化不大，说明温度低，催化剂的作用未起作用；证明反应未达到催化剂工作温度（或尚未达到反应的温度）；
故答案为：尚未达到催化剂工作温度（或尚未达到反应的温度）；
③设400K达到平衡状态时，则
                        2NO（g）+2CO（g）?N₂（g）+2CO₂（g）．
初始浓度（10^-3mol•L^-1）：1      3.60      0         0
转化浓度（10^-3mol•L^-1）：0.9     0.9      0.45      0.9
平衡浓度（10^-3mol•L^-1）：0.1     2.7      0.45      0.9
K=$\frac{0.45×1{0}^{-3}mol•{L}^{-1}×（0.9×1{0}^{-3}mol•{L}^{-1}）^{2}}{（2.7×1{0}^{-3}mol•{L}^{-1}）^{2}×（0.1×1{0}^{-3}mol•{L}^{-1}）^{2}}$=5000L•mol^-1，
因Ⅰ、Ⅱ温度相同，初始浓度相等，催化剂对平衡移动无影响，则平衡不移动，但Ⅱ的速率大，则Ⅱ先达到化学平衡，Ⅰ、Ⅱ达平衡时NO的浓度相同，而Ⅲ的温度高，则反应速率最大且平衡逆移，即达到化学平衡时c（NO）增大，实验Ⅱ、Ⅲ条件下混合气体中NO浓度随时间变化的趋势曲线图为，
故答案为：5000L•mol^-1；．

点评 本题考查较为综合，涉及反应热的计算、反应自发性的判断、化学反应速率和化学平衡的影响因素与图象的关系、平衡常数的计算等知识，为高频考点，其中（4）③是难点，把握控制变量法分析反应速率的影响因素及图象为解答的关键，题目难度较大．