Question

2．氮及其化合物在工農業生產、生活中有著重要應用，回答下列問題
Ⅰ．汽車尾氣會影響空氣質量，利用催化技術可以將汽車尾氣中的NO和CO轉變成CO₂，其反應為：2NO（g）+2CO（g）?催化劑2CO₂（g）+N₂（g）．
為了測定在某種催化劑作用下的反應速率，在某溫度下用氣體傳感器測得不同時間的NO和CO濃度如表：

時間（s）	0	1	2	3	4	5
c（NO）（mol•L-1）	1.00×10-3	4.50×10-4	2.50×10-4	1.50×10-4	1.00×10-4	1.00×10-4
c（CO）（mol•L-1）	3.60×10-3	3.05×10-3	2.85×10-3	2.75×10-3	2.70×10-3	2.70×10-3

請回答下列問題（均不考慮溫度變化對催化劑催化效率的影響）：
（1）在上述條件下反應能夠自發進行，則該反應的△H＜0（填寫“＞”、“＜”、“=”）．
（2）1至3s的平均反應速率v（N₂）=1.42×10^-4mol•L^-1•s^-1，該溫度下，反應的平衡常數K=5000L•mol^-1
（3）該溫度下，在體積恒為10L的三個密閉容器中分別充入下列物質，反應達到平衡后，N₂的體積分數最小的是c（填序號）
a.0.1molNO、0.1molCO、0.1molCO₂、0.04molN₂ b.0.2molNO、0.2molCO c．c0.21molCO₂、0.09molN₂
（4）研究表明：在使用等質量催化劑時，增大催化劑比表面積了提高化學反應速率，為了分別探究溫度、催化劑比表面積對對化學反應速率的影響規律（不考慮溫度變化對催化劑催化效率的影響），某同學設計了三組探究實驗，實驗條件及結果見下表：

實驗編號	T（℃）	NO初始濃（mol•L-1）	催化劑的比表面積（m2•g-1）	NO平衡濃度（mol•L-1）
甲	280	1.80×10-3	82	0.60×10-3
乙	280	1.80×10-3	124	c（乙）
丙	T（丙）	1.80×10-3	124	0.98×10-3

其中T（丙）＞280（填“＞”“＜”或“=”），c（乙）=0.60×10^-3
Ⅱ．N₂H₄可作為火箭發射的燃料，NO₂作氧化劑，發生反應時生成氮氣和氣態水，已知2gN₂H₄（g）完全發生上述反應時共放出35.5kJ熱量，試寫出該反應的熱化學方程式：2N₂H₄（g）+2NO₂（g）═3N₂（g）+4H₂O（l）△H=-1136kJ•mol^-1．
如果利用該反應設計成堿性燃料電池，工作時，電池負極的電極反應式為N₂H₄+4OH^--4e^-=4H₂O+N₂↑．
若用該電池做電源使用惰性電極熔融Na₂SO₄，電解池中陽極的電極反應式為2SO₄^2--4e^-=2SO₃+O₂↑．

Answer 1

分析 Ⅰ．（1）根據反應能夠自發進行，則△H-T△S＜0來分析該反應的焓變；
（2）根據化學反應速率V=$\frac{△c}{△t}$來計算解答；平衡常數指各生成物濃度的化學計量數次冪的乘積除以各反應物濃度的化學計量數次冪的乘積所得的比值，根據該溫度下達化學平衡時各物質平衡時濃度及化學平衡常數的概念來計算；
（3）按化學計量數將已知物質的物質的量轉化到方程式右邊物質，然后進行比較；
（4）該實驗是驗證溫度、催化劑比表面積對化學反應速率的影響規律，所以甲、乙是只改變催化劑表面積，乙、丙只改變溫度；
Ⅱ．根據n=$\frac{m}{M}$計算2gN₂H₄的物質的量，再根據熱化學方程式書寫原則書寫熱化學方程式；肼-氧氣堿性燃料電池中，負極上燃料肼失電子和氫氧根離子反應生成水和氮氣，用該電池做電源使用惰性電極熔融Na₂SO₄，電解池中陽極硫酸根離子放電生成三氧化硫和氧氣．

解答 解：Ⅰ．（1）因該反應2NO（g）+2CO（g）2CO₂（g）+N₂（g）中氣體減少，△S＜0，由反應能夠自發進行，則△H-T△S＜0，即該反應一定是放熱才有可能自發進行，放熱反應中△H＜0，
故答案為：＜；
（2）由表格中的數據可知3s內NO濃度的變化量為1.00×10^-3-1.50×10^-4=8.50×10^-4，則υ（NO）=$\frac{8.5×1{0}^{-4}}{3}$mol•L^-1•s^-1；由化學反應速率之比等于化學計量數之比，則υ（N₂）=$\frac{1}{2}$υ（NO）≈1.42×10^-4mol•L^-1•s^-1；
由表格中的數據可知到4s時達到化學平衡，則
                             2NO+2CO   2CO₂ +N₂，
開始（mol/L） 1.00×10^-3 3.60×10^-3                  0           0
轉化（mol/L） 9×10^-4 9×10^-4 9×10^-4 4.50×10^-4
平衡（mol/L）1.00×10^-4 2.70×10^-3 9×10^-4 4.50×10^-4
則平衡常數K=$\frac{C（{N}_{2}）×{C}^{2}（C{O}_{2}）}{{C}^{2}（NO）×{C}^{2}（CO）}$=$\frac{（4.5×1{0}^{-4}）×（9×1{0}^{-4}）^{2}}{（1.00×1{0}^{-4}）^{2}×（2.7×1{0}^{-3}）^{2}}$=5000，
故答案為：1.42×10^-4；5000；
（3）按化學計量數將已知物質的物質的量轉化到方程式右邊物質
a.0.1molNO、0.1molCO、0.1molCO₂、0.04molN₂相當于0.2molCO₂、0.09molN₂；
b.0.2molNO、0.2molCO 相當于0.2molCO₂、0.1molN₂；
c．0.21molCO₂、0.09molN₂；
相同條件下，ab比較，a的N₂含量小，ac比較C的N₂含量小，
故答案為：C；
（4）該實驗是驗證溫度、催化劑比表面積對化學反應速率的影響規律，則物質的濃度數據相同，只有溫度、接觸面積兩個變量，所以甲、乙是只改變催化劑表面積，c（乙）=0.60×10^-3mol•L^-1，乙、丙只改變溫度，丙組：NO平衡濃度（mol•L^-1）=0.98×10^-3＞0.60×10^-3．　該反應正反應為放熱，所以丙溫度高于甲，
故答案為：＞；=；
Ⅱ．2gN₂H₄的物質的量為$\frac{2g}{32g/mol}$=$\frac{1}{16}$mol，與二氧化氮反應生成氮氣與氣態水放出35.5kJ的熱量，1mol液態肼與足量液態雙氧水反應時放出的熱量16×35.5kJ=568KJ，則熱化學方程式為：2N₂H₄（g）+2NO₂（g）═3N₂（g）+4H₂O（l）△H=-1136kJ•mol^-1，
故答案為：2N₂H₄（g）+2NO₂（g）═3N₂（g）+4H₂O（l）△H=-1136kJ•mol^-1；
肼-氧氣堿性燃料電池中，負極上燃料肼失電子和氫氧根離子反應生成水和氮氣，電極反應式為N₂H₄+4OH^--4e^-=4H₂O+N₂↑，正極發生還原反應，電極方程式為O₂+2H₂O+4e^-=4OH^-，若用該電池做電源使用惰性電極熔融Na₂SO₄，電解池中陽極硫酸根離子放電生成三氧化硫和氧氣，電極反應式為：2SO₄^2--4e^-=2SO₃+O₂↑，
故答案為：O₂+2H₂O+4e^-=4OH^-；N₂H₄+4OH^--4e^-=4H₂O+N₂↑；2SO₄^2--4e^-=2SO₃+O₂↑．

點評 本題考查較為綜合，涉及化學平衡的移動，原電池與電解池等知識，題目難度較大，注意把握電極方程式的書寫以及平衡移動原理的應用．