Question

11．近年來全國各地長期被霧霾籠罩，霧霾顆粒中汽車尾氣占20%以上．已知汽車尾氣中的主要污染物為NO_x、CO、燃燒源超細顆粒（PM2.5）等由害物質．目前，已研究出了多種消除汽車尾氣污染的方法．
（1）催化劑存在時用H₂將NO還原為N₂．
已知：
則H₂還原NO生成氮氣和水蒸氣的熱化學方程式是：2NO（g）+2H₂（g）═N₂（g）+2H₂O（g）△H=-665 kJ•mol^-1．
（2）用活性炭還原處理氮氧化物，有關反應為
C（s）+2NO（g）?N₂（g）+CO₂（g）△H
在2L恒容密閉器中加入足量的C與NO反應，所得實驗數據如表

實驗編號	溫度/°C	起始時NO的物質的量/mol	平衡時N2的物質的量/mol
1	700	0.40	0.09
2	800	0.24	0.08
3	800	0.20	a

①寫出該反應的平衡常數表達式$\frac{c（{N}_{2}）c（C{O}_{2}）}{{c}^{2}（NO）}$．
②結合表中數據，判斷該反應的△H＞0（填“＞”或“＜”），理由是計算700°C和800°C的平衡常數K₁＜K₂，所以△H＞0．
③實驗3達到平衡時，NO的轉化率為67%．（保留2位有效數字）
④根據實驗2數據，假設反應在t₁時刻達到平衡，若t₂時刻保持溫度不變，將容器體積壓縮至原來一半，請在圖中作出整個過程中CO₂的體積分數（CO₂）隨時間變化的曲線．

Answer 1

分析 （1）根據能量變化圖，則反應斷鍵共吸收2×630+2×436=2132kJ，形成共放出945+4×463=2797kJ，所以該反應共放出2797-2132=665kJ的熱量；
（2）①平衡常數等于生成物平衡濃度冪次方乘積除以反應物平衡濃度冪次方乘積；
②依據按1和實驗2計算平衡狀態的平衡常數判斷升溫平衡移動方向，結合平衡移動原理方向判斷；
③依據溫度不變平衡常數不變，結合平衡三段式列式計算，轉化率=$\frac{消耗量}{起始量}$×100%；
④若t₂時刻保持溫度不變，將容器體積壓縮至原來一半，相當于增大壓強，C（g）+2NO（g）?N₂（g）+CO₂（g），反應前后氣體條件不變，所以改變壓強平衡不變，含量不變，據此畫出變化圖象．

解答 解：（1）根據能量變化圖，則反應斷鍵共吸收2×630+2×436=2132kJ，形成共放出945+4×463=2797kJ，所以該反應共放出2797-2132=665kJ的熱量，熱化學方程式為2NO（g）+2H₂（g）═N₂（g）+2H₂O（g）△H=-665 kJ•mol^-1，
故答案為：2NO（g）+2H₂（g）═N₂（g）+2H₂O（g）△H=-665 kJ•mol^-1；
（2）①平衡常數等于生成物平衡濃度冪次方乘積除以反應物平衡濃度冪次方乘積，表達式為：$\frac{c（{N}_{2}）c（C{O}_{2}）}{{c}^{2}（NO）}$，
故答案為：$\frac{c（{N}_{2}）c（C{O}_{2}）}{{c}^{2}（NO）}$；
②依據按1和實驗2計算平衡狀態的平衡常數判斷升溫平衡移動方向，
            C（s）+2NO（g）?N₂（g）+CO₂（g）
起始量（mol/L）     0.2      0      0
變化量（mol/L）     0.09    0.045   0.045
平衡量（mol/L）     0.11    0.045   0.045
K1=$\frac{0.045×0.045}{0.1{1}^{2}}$=0.167
               C（s）+2NO（g）?N₂（g）+CO₂（g）
起始量（mol/L）       0.12       0      0
變化量（mol/L）       0.08      0.04   0.04
平衡量（mol/L）       0.04      0.04   0.04
K2=$\frac{0.04×0.04}{0.0{4}^{2}}$=1＞K1
升溫平衡常數增大說明反應為吸熱反應，△H＞0，
故答案為：＞，計算700°C和800°C的平衡常數K₁＜K₂，所以△H＞0；
③依據溫度不變平衡常數不變，結合平衡三段式列式計算，
             C（s）+2NO（g）?N₂（g）+CO₂（g）
起始量（mol/L）     0.1      0      0
變化量（mol/L）     a       0.5a   0.5a
平衡量（mol/L）     0.1-a   0.5a  0.5a
K=$\frac{0.5a×0.5a}{（0.1-a）^{2}}$=1
a=$\frac{1}{15}$
轉化率=$\frac{消耗量}{起始量}$×100%=$\frac{\frac{1}{15}}{0.1}$×100%=67%，
故答案為：67%；
④若t₂時刻保持溫度不變，將容器體積壓縮至原來一半，相當于增大壓強，C（g）+2NO（g）?N₂（g）+CO₂（g），反應前后氣體條件不變，所以改變壓強平衡不變，含量不變，據此畫出變化圖象為：，
故答案為：．

點評 本題考查了化學平衡的計算應用，平衡常數，影響因素分析，圖象繪制，掌握平衡移動原理和平衡計算方法是解題關鍵，題目難度中等．