Question

20．汽車尾氣和燃煤尾氣是造成空氣污染的主要原因之一．汽車尾氣凈化的主要原理為：2NO（g）+2CO$\stackrel{催化劑}{?}$2CO₂（g）+N₂（g）在密閉容器中發生該反應時，c（CO₂）隨溫度（T）、催化劑的表面積（S）和時間（t）的變化曲線，如圖所示．據判斷：

（1）該反應的平衡常數表達式為$\frac{{c}^{2}（C{O}_{2}）×c（{N}_{2}）}{{c}^{2}（NO）×{c}^{2}（CO）}$．
（2）當固體催化劑的質量一定時，增大其表面積可提高化學反應速率．若催化劑的表面積S₁＞S₂．在圖1中畫出c（CO₂）在T₂、S₂條件下達到平衡過程中的變化曲線．
（3）煤燃燒產生的煙氣含氮的氧化物，用CH₄催化還原NO_x可以消除氮氧化物的污染．
CH₄（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-867kJ•mol^-1
2NO₂（g）?N₂O₄（g）△H=-56.9kJ•mol^-1
寫出CH₄催化還原N₂O₄（g）生成N₂（g）、CO₂（g）和H₂O（g）的熱化學方程式CH₄（g）+N₂O₄（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-810.1kJ/mol．
（4）如圖2是通過光電轉化原理以廉價原料制備新產品的示意圖．寫出上述光電轉化過程的化學反應方程式2CO₂+2H₂O$\frac{\underline{\;光照\;}}{\;}$2HCOOH+O₂．b電極的電反應CO₂+2H⁺+2e^-=HCOOH．

Answer 1

分析 （1）化學平衡常數，是指在一定溫度下，可逆反應達到平衡時，各生成物濃度的化學計量數次冪的乘積與各反應物濃度的化學計量數次冪的乘積的比值；
（2）若催化劑的表面積S₁＞S₂，由增大其表面積可提高化學反應速率，故T₂、S₂條件下到達平衡時間比T₂、S₁的時間更長，但不影響化學平衡移動，平衡時二氧化碳的濃度不變；
（3）已知：①CH₄（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-867kJ•mol^-1
②2NO₂（g）?N₂O₄（g）△H=-56.9kJ•mol^-1
根據蓋斯定律，①-②可得：CH₄（g）+N₂O₄（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g），反應熱也進行相應的計算；
（4）由圖可知，二氧化碳與水在光照條件下轉化為HCOOH與氧氣；b電極上發生還原反應，二氧化碳獲得電子，酸性條件下得到HCOOH．

解答 解：（1）可逆反應：2NO（g）+2CO$\stackrel{催化劑}{?}$2CO₂（g）+N₂（g），平衡常數K=$\frac{{c}^{2}（C{O}_{2}）×c（{N}_{2}）}{{c}^{2}（NO）×{c}^{2}（CO）}$，
故答案為：$\frac{{c}^{2}（C{O}_{2}）×c（{N}_{2}）}{{c}^{2}（NO）×{c}^{2}（CO）}$；
（2）若催化劑的表面積S₁＞S₂，由增大其表面積可提高化學反應速率，故T₂、S₂條件下到達平衡時間比T₂、S₁的時間更長，但不影響化學平衡移動，平衡時二氧化碳的濃度不變，在圖中畫出c（CO₂）在T₂、S₂條件下達到平衡過程中的變化曲線為：，
故答案為：；
（3）已知：①CH₄（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-867kJ•mol^-1
②2NO₂（g）?N₂O₄（g）△H=-56.9kJ•mol^-1
根據蓋斯定律，①-②可得：CH₄（g）+N₂O₄（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-810.1kJ/mol，
故答案為：CH₄（g）+N₂O₄（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-810.1kJ/mol；
（3）由圖可知，二氧化碳與水在光照條件下轉化為HCOOH與氧氣，反應方程式為：2CO₂+2H₂O$\frac{\underline{\;光照\;}}{\;}$2HCOOH+O₂；b電極上發生還原反應，二氧化碳獲得電子，酸性條件下得到HCOOH，電極反應式為：CO₂+2H⁺+2e^-=HCOOH，
故答案為：2CO₂+2H₂O$\frac{\underline{\;光照\;}}{\;}$2HCOOH+O₂；CO₂+2H⁺+2e^-=HCOOH．

點評 本題考查化學平衡常數、化學平衡影響因素、熱化學方程式書寫、電極反應式書寫等，需要學生靈活運用基礎知識分析解決問題，難度中等．