Question

4．已知氮的氧化物是严重的大气污染物，可以通过以下方法处理：
Ⅰ．催化还原法：如在汽车排气管上安装一个催化转化器，发生如下反应：2NO（g）+2CO（g）?2CO₂（g）+N₂（g）
（1）已知：N₂（g）+O₂（g）?2NO（g）△H=+180kJ/mol

化学犍	O=O	C=0	C≡O
键能（kJ/mol）	497	803	1072

则反应：2NO（g）+2CO（g）?2CO₂（g）+N₂（g）△K=-571kJ/mol
（2）在一定温度下，向体积1L的密闭容器中充入2molNO，10min时反应：2NO（g）+2CO（g）?2CO₂（g）+N₂（g）达到平衡状态，反应过程中反应物浓度随时间的变化如图1所示．
①该反应的平衡常数K的计算式为$\frac{（0.4）^{2}×0.2}{（1.6）^{2}×（0.6）^{2}}$（mol．L）^-1，千10min内N₂平均反应速率v（N₂）0.02mol/（L•min）
②若保持温度不变，15min时再向该容器中充入NO1.6mol、CO₂0.4mol，则此时：v_正=v_逆（天“＞”、“＞”或“=”）
③若保持其条件不变，15min时压缩容器至0.5L时反应重新达到平衡，NO的浓度对应的点应是图1中的B（填字母）
④某科研小组研究发现以Ag-ZSM-5为催化剂，NO转化为N₂的转化率随温度变化情况如图2所示，若不适用CO，纬度超过775K，发现NO的分解率降低，其可能的原因是NO的分解反应为放热反应，升高温度有利于反应逆向进行
Ⅱ．利用电化学原理，将NO₂、O₂和熔融KNO₃制 成燃料电池，其原理如图3，该电池在工作过程中NO₂转变成绿色硝化剂Y，Y是一种氧化物，可循环使用，石墨Ⅱ是电池的正极，石墨Ⅰ附近发生的反应电极反应式为NO₂-e^-+NO₃^-═N₂O₅相同条件下，消耗的O₂和 NO₂的体积比为1：4．

Answer 1

分析 Ⅰ．（1）反应焓变=反应物总键能-生成物总键能；
①N₂（g）+O₂（g）?2NO（g）；
②2NO（g）+2CO（g）?2CO₂（g）+N₂（g）；
①+②得：③2CO（g）+O₂（g）?2CO₂（g），依据反应焓变=反应物总键能-生成物总键能计算该反应的焓变；
依据盖斯定律②=③-①计算2NO（g）+2CO（g）?2CO₂（g）+N₂（g）△K；
（2）①依据方程式2NO（g）+2CO（g）?2CO₂（g）+N₂（g），结合图象，列三段，表示出平衡时各物质的物质的量浓度，依据平衡常数表达式解答；
V（N₂）=$\frac{△c（{N}_{2}）}{△t}$  计算10min内N₂平均反应速率；
②若保持温度不变，15min时再向该容器中充入NO1.6mol、CO₂0.4mol，计算此时，反应的浓度商与K比较判断反应进行方向；
③若保持其条件不变，15min时压缩容器至0.5L时，加压平衡逆向移动；
④依据2NO（g）+2CO（g）?2CO₂（g）+N₂（g）△K＜0，可知反应为放热反应，升高温度平衡逆向移动；
Ⅱ．该燃料电池中，负极上通入NO₂，正极上通入O₂，根据电解质知，负极电极反应式为NO₂-e^-+NO₃^-═N₂O₅，正极电极反应式为O₂+2N₂O₅+4e^-═4NO₃^-，据此分析解答．

解答 解：Ⅰ．（1）反应焓变=反应物总键能-生成物总键能，则③2CO（g）+O₂（g）?2CO₂（g），△H₃=497+2×1072-803×4=-571kJ/mol；
依据盖斯定律：③2CO（g）+O₂（g）?2CO₂（g）△H₃=-571kJ/mol；
①N₂（g）+O₂（g）?2NO（g）△H=+180kJ/mol；
则③-①得：②2NO（g）+2CO（g）?2CO₂（g）+N₂（g），则其焓变值△H₂=△H₃-△H₁=-571-180=-751kJ/mol；
故答案为：-751；
（2）①在一定温度下，向体积1L的密闭容器中充入2molNO，10min时反应：2NO（g）+2CO（g）?2CO₂（g）+N₂（g）达到平衡状态，由图象1可知，平衡时CO物质的量度为0.6mol/L，则：
                 2NO（g）+2CO（g）?2CO₂（g）+N₂（g）
起始浓度：mol/L    2        1       0      0    
转化浓度：mol/L   0.4       0.4     0.4     0.2
平衡浓度：mol/L  1.6        0.6     0.4    0.2
该反应平衡常数表达式K=$\frac{C{\;}^{2}（C{O}_{2}）C（{N}_{{\;}_{2}}）}{C{\;}^{2}（NO）C{\;}^{2}（CO）}$=$\frac{（0.4）^{2}×0.2}{（1.6）^{2}×（0.6）^{2}}$；

10min内N₂平均反应速率v（N₂）=$\frac{△c（{N}_{2}）}{△t}$=$\frac{0.2mol/L}{10min}$=0.02mol/（L•mil）；
故答案为：$\frac{（0.4）^{2}×0.2}{（1.6）^{2}×（0.6）^{2}}$；0.02mol/（L•mil）；
②若保持温度不变，15min时再向该容器中充入NO1.6mol、CO₂0.4mol，
则：此时：C（NO）=3.2mol/L；C（CO）=0.6mol/L；C（CO₂）=0.8mol/L；C（N₂）=0.2mol/L；
反应的浓度商为：$\frac{（0.8）{\;}^{2}×0.2}{（3.2）{\;}^{2}×（0.6）{\;}^{2}}$=$\frac{（0.4）^{2}×0.2}{（1.6）^{2}×（0.6）^{2}}$，说明反应达到平衡，则V_正=V_逆；
故答案为：=；
③若保持其条件不变，15min时压缩容器至0.5L时反应重新达到平衡，加压平衡逆向移动，一氧化氮浓度增加，依据可逆反应特点，利用极值可知当CO全部反应，则平衡后一氧化氮浓度为3mol/L，所以一氧化氮浓度应介于2mol/L和3mol/L之间，故选B；
故选：B；        
④依据2NO（g）+2CO（g）?2CO₂（g）+N₂（g）△K＜0，可知反应为放热反应，升高温度平衡逆向移动，有利于反应逆向进行；
故答案为：NO的分解反应为放热反应，升高温度有利于反应逆向进行；
Ⅱ该燃料电池中，负极上通入NO₂，石墨Ⅰ为负极，电极反应式为NO₂-e^-+NO₃^-═N₂O₅，正极上通入O₂，石墨Ⅱ为正极，电极反应式为O₂+2N₂O₅+4e^-═4NO₃^-，所以NO₃^-向负极移动，即NO₃^-向石墨Ⅰ；
依据O₂+2N₂O₅+4e^-═4NO₃^-，可知1mol氧气得到4mol电子，依据NO₂-e^-+NO₃^-═N₂O₅，1mol二氧化氮失去1mol电子，要使得失电子守恒：则消耗的O₂和 NO₂的体积比为1：4；
故答案为：正；NO₂-e^-+NO₃^-═N₂O₅；1：4．

点评 本题考查了反应热、反应速率的计算、影响平衡移动的因素，电极反应式的书写，题目综合性强，明确化学平衡移动原理及影响因素、原电池工作原理是解题关键，题目难度中等．