题目内容

12.目前城市空气质量恶化原因之一是机动车尾气和燃煤产生的烟气.NO和CO均为汽车尾气的成分,这两种气体在催化转换器中发生如下反应:
2NO(g)+2CO(g)$\stackrel{催化剂}{?}$2CO2(g)+N2(g)△H=-a kJ•mol-1在一定温度下,将2.0mol NO、2.4mol CO气体通入到固定容积为2L的密闭容器中,反应过程中部分物质的浓度变化如图所示(计算结果保留三位有效数字):
(1)0~15min NO的平均速率v(NO)=0.0267mol/(L•min);CO的转化率为40.0%.
(2)15min后反应达到平衡,若将此时得到的CO2气体用含有1.2mol KOH溶液吸收,则电解质溶液中c(CO${\;}_{3}^{2-}$)-c(HCO${\;}_{3}^{-}$)=2c(H+)-2c(OH-)+3c(H2CO3)(用粒子浓度符号表示).
(3)20min时,若改变某一反应条件,导致CO浓度增大,则改变的条件可能是ae(选填序号).
a.缩小容器体积   b.扩大容器体积   c.增加NO的量
d.降低温度     e.增加CO的量    f.使用催化剂
(4)若保持反应体系的温度不变,20min时再向容器中充入CO、CO2各0.4mol,化学平衡将向左移动(选填“向左”、“向右”或“不”),重新达到平衡后,该反应的化学平衡常数为0.139L/mol.

分析 (1)根据v=$\frac{△c}{△t}$计算v(N2),再利用速率之比等于化学计量数之比计算v(NO),再根据n=△c×V计算参加反应CO的物质的量,进而计算CO的转化率;
(2)15min到达平衡,△n(CO2)=△n(CO)=(1.2mol/L-0.8molL)×2L=0.8mol,CO2与KOH物质的量之比为2:3,则反应生成KHCO3、K2CO3,根据电荷守恒:c(K+)+c(H+)=2(CO32-)+c(HCO3-)+c(OH-),由物料守恒可知:2c(K+)=3[c(CO32-)+c(HCO3-)+c(H2CO3)];
(3)a.缩小容器体积,压强增大,平衡向正反应方向移动,移动结果不能消除CO浓度增大;
b.扩大容器体积,压强减小,平衡向逆反应方向移动,平衡时CO浓度减小;
c.增加NO的量,平衡正向移动;
d.降低温度,平衡向正反应方向移动;
e.增加CO的量,CO的浓度增大;
f.使用催化剂平衡不移动;
(4)温度不变,平衡常数不变,计算平衡时各组分的浓度,代入K=$\frac{{c}^{2}(C{O}_{2})×c({N}_{2})}{{c}^{2}(NO)×{c}^{2}(CO)}$计算平衡常数,再计算此时浓度商Qc,若Qc=K,处于平衡状态,若Qc<K,反应向正反应进行,若Qc>K,反应向逆反应进行.

解答 解:(1)由图可知,15min N2的浓度变化量为0.2mol/L,速率之比等于化学计量数之比,则v(NO)=2v(N2)=2×$\frac{0.2mol/L}{15min}$=0.0267mol/(L•min),参加反应的CO为2L×(1.2-0.8)mol/L=0.8mol,故CO的转化率为$\frac{0.8mol}{2mol}$×100%=40.0%,
故答案为:0.0267mol/(L•min);40.0%;
(2)15min到达平衡,△n(CO2)=△n(CO)=1.2mol-0.8mol=0.4mol,CO2与KOH物质的量之比为1:3,则反应生成KHCO3、K2CO3,根据电荷守恒:c(K+)+c(H+)=2(CO32-)+c(HCO3-)+c(OH-),由物料守恒可知:2c(K+)=3[c(CO32-)+c(HCO3-)+c(H2CO3)],联立可得:(CO32-)-c(HCO3-)=2c(H+)-2c(OH-)+3c(H2CO3),
故答案为:2c(H+)-2c(OH-)+3c(H2CO3);
(3)a.缩小容器体积,压强增大,平衡向正反应方向移动,移动结果不能消除CO浓度增大,平衡时CO浓度增大,故a正确;
b.扩大容器体积,压强减小,平衡向逆反应方向移动,但平衡时CO浓度减小,故b错误;
c.增加NO的量,平衡正向移动,CO浓度减小,故c错误;
d.降低温度,平衡向正反应方向移动,CO浓度减小,故d错误;
e.增加CO的量,CO的浓度增大,故e正确;
f.使用催化剂平衡不移动,CO浓度不变,故f错误,
故选:ae;
(4)平衡时氮气浓度变化量为0.2mol/L,NO的起始浓度为$\frac{2mol}{2L}$=1mol/L、CO的起始浓度为$\frac{2.4mol}{2L}$=1.2mol/L,则:
            2NO(g)+2CO(g)?2CO2(g)+N2(g)
开始(mol/L):1     1.2        0        0
转化(mol/L):0.4   0.4        0.4      0.2
平衡(mol/L):0.6   0.8        0.4      0.2
故平衡常数K=$\frac{{c}^{2}(C{O}_{2})×c({N}_{2})}{{c}^{2}(NO)×{c}^{2}(CO)}$=$\frac{0.{4}^{2}×0.2}{0.{6}^{2}×0.{8}^{2}}$L/mol=$\frac{5}{36}$L/mol=0.139L/mol,
20min时再向容器中充入CO、CO2各0.4mol,此时浓度商Qc=$\frac{(0.4+\frac{0.4}{2})^{2}×0.2}{0.{6}^{2}×(0.8+\frac{0.4}{2})^{2}}$=0.2>K=0.139,故反应向逆反应进行,即向左移动,
温度不变,平衡常数不变,即重新达到平衡后,该反应的化学平衡常数为0.139L/mol,
故答案为:向左;0.139L/mol.

点评 本题考查化学平衡计算与影响因素、化学反应速率的计算、平衡常数计算与应用、离子浓度大小比较等,是对学生综合能力的考查,需要学生具备扎实的基础与灵活应用能力,难度中等.

练习册系列答案
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3.减少污染、保护环境是全世界最热门的课题.请回答下列问题:
(1)为减少SO2的排放,常采取的措施有:
①将煤转化为清洁气体燃料.已知:
H2(g)+$\frac{1}{2}$O2(g)=H2O(g)△H=-241.8KJ/mol
C(s)+1/2O2(g)=CO(g)△H=-110.5KJ/mol
写出焦炭与水蒸气反应的热化学方程式C(s)+H2O(g)=CO(g)+H2(g);△H=+13l.3kJ/mol;
②洗涤含SO2的烟气,以下物质可作洗涤剂的是ab;
a.Ca(OH)2            b.Na2CO3              c.CaCl2          d.NaHSO3、
(2)污染物CO在催化剂作用下可以与H2反应生成甲醇:CO(g)+2H2(g)?CH3OH(g).
①在恒容体系中,可以判断反应达到平衡状态的依据是AC填序号).
a. v正(CH3OH)=v逆(CO)                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. c(CO):c(H2):c( CH3OH)=1:2:1
②在密闭容器中充有10molCO与20molH2,CO的平衡转化率与温度、压强的关系如图,M、N、Q三点的平衡常数KM、KN、KQ的大小关系为KM=KN>KQ.
(3)汽车尾气中NOx和CO的生成及转化为:
①已知气缸中生成NO的反应为:N2(g)+O2(g)?2NO(g)△H>0汽车启动后,气缸温度越高,单位时间内NO排放量越大,原因是温度升高,反应速率加快,平衡右移.
②若加入1mol空气(含有0.8molN2和0.2molO2),1300℃时在密闭容器内反应达到平衡,测得NO为8×10-4mol.计算5s内该反应的平均速率ν(NO)和该温度下的平衡常数K(写出计算过程,计算过程中数据可作近似处理)
③汽车燃油不完全燃烧时产生CO,有人设想按下列反应除去CO:
2CO(g)=2C(s)+O2(g)△H>0,该设想能否实现?否(选填“能”或“不能”),依据是该反应是焓增,熵减的反应,根据△H-T•△S>0,任何温度下均不能自发进行.
④目前,在汽车尾气系统中装置催化转化器可减少CO和NO的污染,其化学反应方程式为2CO+2NO $\frac{\underline{\;催化剂\;}}{\;}$2CO2+N2.

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