Question

2013年初，全国各地多个城市都遭遇“十面霾伏”，造成“阴霾天”的主要根源之一是汽车尾气和燃煤尾气排放出来的固体小颗粒．
汽车尾气净化的主要原理为：2NO（g）+2CO（g）

催化剂

2CO₂+N₂．在密闭容器中发生该反应时，c（CO₂）随温度（T）、催化剂的表面积（S）和时间（t）的变化曲线如图所示．据此判断：
（1）该反应为

 

反应（填“放热”或“吸热”）：在T₂温度下，0～2s内的平均反应速率：v（N₂）=

 

；
（2）当固体催化剂的质量一定时，增大其表面积可提高化学反应速率．若催化剂的表面积S₁＞S₂，在答题卡上画出 c（CO₂）在T₁、S₂条件下达到平衡过程中的变化曲线．
（3）某科研机构，在t₁℃下，体积恒定的密闭容器中，用气体传感器测得了不同时间的NO和CO的浓度（具体数据见下表，CO₂和N₂的起始浓度为0）．

时间/s	0	1	2	3	4	5
c（NO）/xl0-4mol L-1	10.0	4.50	2.50	1.50	1.00	1.00
c（CO）/xl0-3mol L-1	3.60	3.05	2.85	2.75	2.70	2.70

t₁℃时该反应的平衡常数K=

 

，平衡时NO的体积分数为

 

．
（4）若该反应在绝热、恒容的密闭体系中进行，下列示意图正确且能说明反应在进行到t₁时刻达到平衡状态的是

 

（填代号）．

（下图中v_正、K、n、m分别表示正反应速率、平衡常数、物质的量和质量）
（5）煤燃烧产生的烟气也含氮的氧化物，用CH₄催化还原NO_X可以消除氮氧化物的污染．
已知：CH₄（g）+2NO₂（g）=N₂ （g）+CO₂ （g）+2H₂O（g）△H=-867.0kJ?mol^-1
2NO₂ （g）═N₂O₄ （g）△H=-56.9kJ?mol^-1
H₂O（g）=H₂O（l）△H=-44.0kJ?mol^-1
写出CH₄催化还原N₂O₄（g）生成N₂（g）、CO₂（g）和H₂O（l）的热化学方程式

 

．

Answer 1

考点：反应速率的定量表示方法,用盖斯定律进行有关反应热的计算,化学平衡常数的含义,物质的量或浓度随时间的变化曲线

专题：化学反应中的能量变化,化学平衡专题

分析：（1）①根据到达平衡的时间判断温度高低，根据平衡时二氧化碳的浓度判断温度对平衡的影响，进而判断△H；
由图可知，T₂温度平衡时，二氧化碳的浓度变化量为0.1mol/L，根据v=

△c

△t

计算v（CO₂），再根据速率之比等于化学计量数之比计算v（N₂）；
（2）接触面积越大反应速率越快，到达平衡的时间越短，催化剂的表面积S₁＞S₂，S₂条件下达到平衡所用时间更长，但催化剂不影响平衡移动，
平衡时二氧化碳的浓度与温度T₁到达平衡时相同；
（3）依据平衡常数概念是利用生成物平衡浓度的幂次方乘积除以反应物平衡浓度幂次方乘积，代入平衡浓度即可计算出平衡常数，NO的平衡浓度与平衡总浓度之比为NO的体积分数；
（4）A、到达平衡后正、逆速率相等，不再变化；
B、到达平衡后，温度为定值，平衡常数不变，结合反应热判断随反应进行容器内温度变化，判断温度对化学平衡常数的影响；
C、t₁时刻后二氧化碳、NO的物质的量发生变化，最后不再变化；
D、到达平衡后各组分的含量不发生变化；
（5）根据盖斯定律，由已知热化学方程式乘以适当的系数进行加减构造目标热化学方程式．

解答： 解：（1）①由图1可知，温度T₁先到达平衡，故温度T₁＞T₂，温度越高平衡时，二氧化碳的浓度越低，说明升高温度平衡向逆反应移动，故正反应为放热反应，
故答案为：放热；
②由图可知，T₂温度时2s到达平衡，平衡时二氧化碳的浓度变化量为0.1mol/L，故v（CO₂）=

0.1mol/L

2S

=0.05mol/（L?s），
速率之比等于化学计量数之比，故v（N₂）=

1

2

v（CO₂）=

1

2

×0.05mol/（L?s）=0.025mol/（L?s），
故答案为：0.025mol/（L?s）；
（2）接触面积越大反应速率越快，到达平衡的时间越短，催化剂的表面积S₁＞S₂，S₂条件下达到平衡所用时间更长，
但催化剂不影响平衡移动，平衡时二氧化碳的浓度与温度T₁到达平衡时相同，故c（CO₂）在T₁、S₂条件下达到平衡过程中的变化曲线为：，
故答案为：；
（3）NO和CO反应生成CO₂和N₂，反应方程式为：
          2NO+2CO?2CO₂ +N₂
起始浓度：1xl0^-3   3.6xl0^-3      0         0
转化浓度：0.9xl0^-3  0.9xl0^-3     0.9xl0^-3   0.45xl0^-3
平衡浓度：0.1xl0^-3  2.7xl0^-3     0.9xl0^-3   0.45xl0^-3
反应的平衡常数K=

c(N2)?c2(CO2)

c2(CO)?c2(NO)

，代入平衡浓度得：K=5000，
NO的体积分数为：

0.1

0.1+2.7+0.9+0.45

×100%=2.41%，
故答案为：5000  2.41%；
（4）A、到达平衡后正、逆速率相等，不再变化，t₁时刻V_正最大，之后随反应进行速率发生变化，未到达平衡，故A错误；
B、该反应正反应为放热反应，随反应进行温度升高，化学平衡常数减小，到达平衡后，温度为定值，达最高，平衡常数不变，
为最小，图象与实际符合，故B正确，
C、t₁时刻后二氧化碳、NO的物质的量发生变化，t₁时刻未到达平衡状态，故C错误；
D、NO的质量分数为定值，t₁时刻处于平衡状态，故D正确；
故答案为：B D；
（5）已知：①CH₄（g）+2NO₂（g）═N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₁=-867kJ/mol
②2NO₂（g）?N₂O₄（g）△H₂=-56.9kJ/mol
③H₂O（g）=H₂O（l）△H=-44.0kJ?mol^-1
根据盖斯定律，①-②+③×2得：CH₄（g）+N₂O₄（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（l），
故△H=-867kJ/mol-（-56.9kJ/mol）-44.0kJ?mol^-1×2=-898.1kJ/mol，
即CH₄（g）+N₂O₄（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（l），△H=-898.1kJ/mol，
故答案为：CH₄（g）+N₂O₄（g）═N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（l）△H═-898.1kJ/mol

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、平衡常数计算、热化学方程式书写等，题目综合性较大，较难，是对知识的综合利用、注意基础知识的理解掌握．