Question

5．2015年5月5日，北京开启“烧烤”模式，气温高达 35℃，臭氧代替 PM2.5 坐上大气 污染物的“头把交椅”．汽车和工业废气中的氮氧化物因经光化学反应可形成臭氧而被列入北京的污染物排放源清单．氮氧化物处理通常有下列途径：
（1）在汽车排气管内安装催化转化器，可将汽车尾气中主要污染物转化为无毒的大气循环物质
①反应 2NO（g）+2CO（g）?2CO₂（g）+N₂（g）能够自发进行，则该反应的△H＜0（填“＞”或“＜”）．
②根据传感器记录某温度下 NO、CO 的反应进程，测量所得数据绘制出图 1．前1S内平均反应速率v（N₂）=2.7×10^-4mol/（L．s）；第 2S时的X值范围25.2＜X＜30.6．
③在一定温度下，向体积为VL的密闭容器中充入一定量的NO和CO．在t1时刻达到平衡
状态，此时 n（CO）=amol，n（NO）=2amol，n（N₂）=bmol．若保持体积不变，再向容器中充 入 n（CO₂）=bmol，n（NO）=amol，则此时 v 正=v逆（填“＞”、“=”或“＜”）；
④在t₂时刻，将容器迅速压缩到原容积的$\frac{1}{2}$，在其它条件不变的情况下，t₃时刻达到新的平衡状态．请在图2中补充画出t₂-t₃-t₄时段N₂物质的量的变化曲线．
（2）烟气中含有的氮氧化物（NOx）可与甲烷在一定条件下反应转化为无害成分，从而消除污染．
已知：CH₄（g）+2O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（l）K₁△H=a kJ•mol^-1；N₂（g）+O₂（g）═2NO（g）K₂△H=b kJ•mol^-1；
CH₄脱硝的热化学方程式为 CH₄（g）+4NO（g）═CO₂（g）+2N₂（g）+2H₂O（l）△H=（a-2b）kJ•mol^-1； 平衡常数K=$\frac{{K}_{1}}{{{K}_{2}}^{2}}$（K用 K₁、K₂表示）
（3）C₂H₄也可用于烟气脱硝．为研究温度、催化剂中 Cu²⁺负载量对其NO去除率的影响，控制其他条件一定实验结果如图3所示．为达到最高的NO去除率，应选择的反应温度和Cu²⁺负载量分别是350℃、负载率3%．
（4）工业尾气中氮的氧化物常采用碱液吸收法处理．NO₂被足量纯碱溶液完全吸收后得到两种钠盐，同时产生CO₂．请写出NO₂与纯碱反应的化学方程式：Na₂CO₃+2NO₂═NaNO₃+NaNO₂+CO₂．

Answer 1

分析 （1）①反应自发进行的判断依据为△H-T△S＜0；
②利用v=$\frac{△c}{△t}$计算v（CO），根据速率之比等于化学计量数之比求v（CO₂）；根据速率之比等于化学计量数之比求v（N₂）；根据随着反应进行反应速率越来越小分析；
③根据三行式结合化学平衡的移动知识来计算分析；
④压缩容器体积，增大了压强，正逆反应速率增大，平衡向着气体体减小的方向移动，据此画出从t₂-t₃-t₄时段，正反应速率的变化曲线；
（2）依据热化学方程式和盖斯定律计算得到所需热化学方程式，平衡常数=$\frac{生成物平衡浓度幂次方乘积}{反应物平衡浓度幂次方乘积}$，依据反应的平衡常数计算分析平衡常数的关系；
（3）脱硝率高，负载率低，适宜的温度；
（4）反应与NO₂和NaOH反应相似，生成NaNO₂、NaNO₃和CO₂，以此书写反应的化学方程式．

解答 解：（1）①反应 2NO（g）+2CO（g）?2CO₂（g）+N₂（g）能够自发进行，反应△S＜0，若满足△H-T△S＜0，必须△H＜0，
故答案为：＜；
②一氧化氮的反应速率为v（CO）=$\frac{△c}{△t}$=$\frac{（36-30.6）×1{0}^{-4}mol/L}{1s}$=5.4×10^-3mol/L．s，同一化学反应同一时间段内，各物质的反应速率之比等于计量数之比，
同一化学反应同一时间段内，各物质的反应速率之比等于计量数之比，所以v（N₂）=$\frac{1}{2}$v（CO）=2.7×10^-4mol/（L．s）；
因为随着反应进行反应速率越来越小，所以第2S消耗的CO小于第1S的36-30.6=5.4，则第2s时的30.6＞x＞30.6-5.4=25.2，
故答案为：2.7×10^-4mol/（L．s）；25.2＜X＜30.6；
 ③在一定温度下，向体积为 V L的密闭容器中充入一定量的NO和CO．在t₁时刻达到平衡状态，此时n（CO）=a mol，n（NO）=2a mol，n（N₂）=b mol．依据化学平衡三段式列式计算
              2NO（g）+2CO（g）?N₂（g）+2CO₂（g）
起始量（mol）  2a+2b   a+2b       0        0
变化量（mol）   2b       2b        b       2b
平衡量（mol）   2a       a        b       2b  
若保持体积不变，再向容器中充入n（CO₂）=b mol，n（NO）=a mol，正逆进行程度相同，平衡不动，正逆反应速率相同；
故答案为：=；     
④在t₂时刻，将容器迅速压缩到原容积的$\frac{1}{2}$，在其它条件不变的情况下，瞬间氮气物质的量不变，浓度增大，相当于增大压强，平衡正向进行，氮气物质的量增大，最后不变，t₃时刻达到新的平衡状态如图；
故答案为：；

（2）①CH₄（g）+2O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（l）   K₁=$\frac{c（C{O}_{2}）{c}^{2}（{H}_{2}O）}{c（C{H}_{4}）{c}^{2}（{O}_{2}）}$△H=a kJ•mol^-1；
②N₂（g）+O₂（g）═2NO（g）  K₂=_{$\frac{{c}^{2}（NO）}{c（{N}_{2}）c（{O}_{2}）}$} △H=b kJ•mol^-1；
依据盖斯定律计算，①-②×2得到CH₄脱硝的热化学方程式为 CH₄（g）+4NO（g）═CO₂（g）+2N₂（g）+2H₂O（l）△H=（a-2b ）kJ•mol^-1；
K₃=$\frac{c（C{O}_{2}）{c}^{2}（{N}_{2}）{c}^{2}（{H}_{2}O）}{c（C{H}_{4}）{c}^{4}（NO）}$=$\frac{{K}_{1}}{{{K}_{2}}^{2}}$，
故答案为：（a-2b ）kJ•mol^-1；K₃=$\frac{{K}_{1}}{{{K}_{2}}^{2}}$；
（3）满足脱硝率高，负载率低，适宜的温度，由图可知，适合条件为350℃、负载率3%．
故答案为：350℃、负载率3%；
（4）反应与NO₂和NaOH反应相似，生成NaNO₂、NaNO₃和CO₂，则反应的化学方程式为2NO₂+Na₂CO₃=NaNO₂+NaNO₃+CO₂，
故答案为：2NO₂+Na₂CO₃=NaNO₂+NaNO₃+CO₂．

点评 本题考查盖斯定律的应用、放热反应与吸热反应、热化学方程式的书写．难度中等．根据图象分析出分解率的变化特点是解题的关键，掌握基础是关键．