Question

3．環境保護是現代的世界性課題，人類已在多方面取得了突破性進展．
（1）連續自動監測氮氧化物（NO_x）的儀器--動態庫侖儀已獲得實際應用．它的工作原理如下圖一所示．NiO電極上NO發生的電極反應式為NO+O^2--2e^-=NO₂．
（2）使用稀土催化劑有效消除汽車尾氣中的NO_x、碳氫化合物也已逐漸成為成熟技術．壓縮天然氣汽車利用這一技術將NO_x、CH₄轉化成無毒物質，相關反應為：
①CH₄（g）+4NO₂（g）═4NO（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₁＜0
②CH₄（g）+4NO（g）═2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₂＜0
③CH₄（g）+2NO₂（g）═N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₃
則△H₃=$\frac{△{H}_{1}+△{H}_{2}}{2}$．（用△H₁和△H₂表示）
（3）實驗室在恒壓下，將CH₄（g）和NO₂（g）置于密閉容器中發生反應③，測得在不同溫度、不同投料比時，NO₂的平衡轉化率如下表：

投料比[n（NO2）/n（CH4）]	400K	500K	600K
1	60%	43%	28%
2	45%	33%	20%

①在NO₂與CH₄反應時，可提高NO₂轉化率的措施有CEF．（填編號）
A．增加催化劑的表面積B．改用高效催化劑 C．降低溫度
D．增大壓強E．分離出H₂O（g） F．減小[n（NO₂）/n（CH₄）]
②400K時，將投料比為1的NO₂和CH₄的混合氣體共0.40mol，充入容積為2L的裝有催化劑的密閉容器中，反應經過5min達到平衡，試計算反應在該溫度時的平衡常數．（寫出計算過程，計算結果保留三位有效數字）
③若溫度不變，在反應進行到10min時將容器的容積快速壓縮為1L，請在答題卷表格中畫出0min～15min內，容器中CO₂物質的量濃度c隨時間變化的曲線圖．
（4）SNCR是一種新型的煙氣脫氮環保技術．在有氧條件下，其脫氮原理是：NO（g）+4NH₃（g）+O₂（g）═4N₂（g）+6H₂O（g）△H=-1627.2kJ•mol^-1．NO和NH₃在Ag₂O催化劑表面的反應隨溫度的變化曲線如右圖所示．圖中曲線表明，隨著反應溫度的升高，在有氧的條件下NO的轉化率有一明顯的下降過程，其原因可能是（回答兩條）：脫氮反應是放熱反應，達到平衡后升高溫度，平衡逆向移動；溫度升高發生了副反應：4NH₃+5O₂═4NO+6H₂O．

Answer 1

分析 （1）根據圖片知，鉑電極上氧氣得電子作正極，NiO電極上NO失電子發生氧化反應生成NO₂；
（2）根據方程式①②的加減得出化學方程式③，焓變相應的加減，從而計算出△H₃；
（3）①A．催化劑對轉化率無影響；
B．催化劑對轉化率無影響；
C．該反應為放熱反應，降低溫度，平衡正移；
D．增大壓強，平衡向氣體體積減小的方向移動；
E．減少生成物的濃度，平衡正移；
F．由表中數據可知，[n（NO₂）/n（CH₄）]越大，NO₂轉化率越小；
②400K時，將投料比為1的NO₂和CH₄的混合氣體共0.40mol，則NO₂和CH₄各為0.2mol，NO₂的平衡轉化率為60%，利用三段式求出平衡濃度，再求平衡常數K；
③從0～5min，CO₂的濃度從0逐漸增大到0.03mol/L，5min～10min，CO₂的濃度保持不變，在10min時將容器的容積快速壓縮為1L，CO₂的濃度瞬間變為0.06mol/L，然后逐漸減小，達到平衡時，CO₂平衡濃度大于0.03 mol/L；
（4）反應4NO（g）+4NH₃（g）+O₂（g）?4N₂（g）+6H₂O（g）△H=-1627.2kJ•mol^-1是放熱反應，升溫平衡逆向移動，溫度升高時還會發生氨氣的催化氧化．

解答 解：（1）負極NiO上一氧化氮失電子和氧離子反應生成二氧化氮，電極反應式為NO-2e^-+O^2-═NO₂，
故答案為：NO+O^2--2e^-=NO₂；
（2）①CH₄（g）+4NO₂（g）═4NO（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₁＜0
②CH₄（g）+4NO（g）═2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₂＜0
③CH₄（g）+2NO₂（g）═N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₃
由蓋斯定律可知，方程式③=$\frac{1}{2}$（②+①）則△H₃=$\frac{△{H}_{1}+△{H}_{2}}{2}$；
故答案為：$\frac{△{H}_{1}+△{H}_{2}}{2}$；
（3）①A．催化劑對轉化率無影響，則增加催化劑的表面積，NO₂轉化率不變，故A錯誤；
B．催化劑對轉化率無影響，改用高效催化劑，NO₂轉化率不變，故B錯誤；
C．該反應為放熱反應，降低溫度，平衡正移，則NO₂轉化率增大，故C正確；
D．增大壓強，平衡向氣體體積減小的方向移動，則平衡向逆方向移動，所以NO₂轉化率減小，故D錯誤；
E．減少生成物的濃度，平衡正移，所以分離出H₂O（g），平衡正移，則NO₂轉化率增大，故E正確；
F．由表中數據可知，[n（NO₂）/n（CH₄）]越大，NO₂轉化率越小，減小[n（NO₂）/n（CH₄）]，NO₂轉化率增大，故F正確；
故答案為：CEF；
②400K時，將投料比為1的NO₂和CH₄的混合氣體共0.40mol，則NO₂和CH₄各為0.2mol，NO₂的平衡轉化率為60%，
依題意得：CH₄（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）
c（始） mol/L：0.10     0.10      0           0        0
c（變） mol/L：0.03     0.06     0.03      0.03       0.06
c（平 ）mol/L：0.07     0.04     0.03      0.03       0.06
K=$\frac{c（{N}_{2}）•{c}^{2}（{H}_{2}O）•c（C{O}_{2}）}{c（C{H}_{4}）•{c}^{2}（N{O}_{2}）}$=$\frac{0.03×0.0{6}^{2}×0.03}{0.07×0.0{4}^{2}}$=2.89×10^-2，
答：該溫度時的平衡常數2.89×10^-2；
③從0～5min，CO₂的濃度從0逐漸增大到0.03mol/L，5min～10min，CO₂的濃度保持不變，在10min時將容器的容積快速壓縮為1L，CO₂的濃度瞬間變為0.06mol/L，然后逐漸減小，達到平衡時，CO₂平衡濃度大于0.03 mol/L，則作圖為；
故答案為：；
（4）反應4NO（g）+4NH₃（g）+O₂（g）?4N₂（g）+6H₂O（g）△H=-1627.2kJ•mol^-1是放熱反應，升溫平衡逆向移動，溫度升高時還會發生氨氣的催化氧化，
故答案為：脫氮反應是放熱反應，達到平衡后升高溫度，平衡逆向移動；溫度升高發生了副反應：4NH₃+5O₂═4NO+6H₂O．

點評 本題考查了蓋斯定律的應用、原電池原理及電極反應書寫、化學反應速率和化學平衡的影響因素、K的計算等知識，題目難度較大，試題涉及的題量較大，知識點較多、綜合性強，熟練掌握知識的遷移和應用是解答本題的關鍵，試題培養了學生的分析、理解能力及靈活應用所學知識的能力．