Question

3．2015年霧霾天氣多次肆虐我國中東部地區．其中，汽車尾氣和燃煤尾氣是造成空氣污染的原因之一．
（1）汽車尾氣凈化的主要原理為：2NO（g）+2CO （g） $\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1所示．

據此判斷：
①該反應的平衡常數表達式為K=$\frac{{c}^{2}（C{O}_{2}）•c（{N}_{2}）}{{c}^{2}（NO）•{c}^{2}（CO）}$．
②該反應的△H＜0（選填“＞”、“＜”）．
③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，在右圖中畫出c（CO₂）在T₂、S₂條件下達到平衡過程中的變化曲線．
（2）直接排放煤燃燒產生的煙氣會引起嚴重的環境問題．
①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．
②將燃煤產生的二氧化碳回收利用，可達到低碳排放的目的．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．催化劑a、b之間連接導線上電子流動方向是a→b（填a→b或b→a）．

Answer 1

分析 （1）①化學平衡常數為生成物濃度系數次冪的乘積與反應物濃度系數次冪乘積的比值，根據平衡常數的概念并結合反應方程式反應的平衡常數表達式；
②根據到達平衡的時間判斷溫度高低，根據平衡時二氧化碳的濃度判斷溫度對平衡的影響，進而判斷△H；
③接觸面積越大反應速率越快，到達平衡的時間越短，催化劑的表面積S₁＞S₂，S₂條件下達到平衡所用時間更長，但催化劑不影響平衡移動，平衡時二氧化碳的濃度與溫度T₁到達平衡時相同；
（2）①根據蓋斯定律，由已知熱化學方程式乘以適當的系數進行加減構造目標熱化學方程式；
②根據體系中進入的物質和得到的物質獲得反應物和生成物，利用氧化還原方程式的配平寫出化學方程式；根據溶液中陽離子的移動判斷電子的流向．

解答 解：（1）①2NO（g）+2CO（g）$\stackrel{催化劑}{?}$ 2CO₂ （g）+N₂ （g）的平衡常數表達式為生成物濃度系數次冪的乘積與反應物濃度系數次冪乘積的比值，即：K=$\frac{{c}^{2}（C{O}_{2}）•c（{N}_{2}）}{{c}^{2}（NO）•{c}^{2}（CO）}$，故答案為：K=$\frac{{c}^{2}（C{O}_{2}）•c（{N}_{2}）}{{c}^{2}（NO）•{c}^{2}（CO）}$；
②由圖示可知，溫度T₁先到達平衡，故溫度T₁＞T₂，溫度越高平衡時，二氧化碳的濃度越低，說明升高溫度平衡向逆反應移動，故正反應為放熱反應，即：△H＜0，
故答案為：＜；
③接觸面積越大反應速率越快，到達平衡的時間越短，催化劑的表面積S₁＞S₂，S₂條件下達到平衡所用時間更長，但催化劑不影響平衡移動，平衡時二氧化碳的濃度與溫度T₁到達平衡時相同，故c（CO₂）在T₁、S₂條件下達到平衡過程中的變化曲線為，故答案為：；
（2）①已知：ⅠCH₄（g）+2NO₂（g）═N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₁=-867kJ/mol
Ⅱ2NO₂（g）?N₂O₄（g）△H₂=-56.9kJ/mol
根據蓋斯定律，Ⅰ-Ⅱ得：CH₄（g）+N₂O₄（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g），故△H=-867kJ/mol-（-56.9kJ/mol）=-810.1kJ/mol，
即：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．
②體系中進入的物質為：CO₂和H₂O，則反應物為：CO₂和H₂O，得到的物質為：HCOOH和O₂，生成物為：HCOOH和O₂，利用氧化還原方程式的配平寫出化學方程式為：2CO₂+2H₂O$\frac{\underline{\;光照\;}}{\;}$2HCOOH+O₂；體系中氫離子從 a→b，則電流的方向為：b→a，電子的流向為：a→b，故答案為：2CO₂+2H₂O$\frac{\underline{\;光照\;}}{\;}$2HCOOH+O₂；a→b．

點評 本題考查化學平衡圖象、化學反應速率、影響化學平衡的因素、熱化學方程式書寫、原電池、電離平衡常數與水解平衡常數等，題目綜合性較大，難度中等，是對知識的綜合利用、注意基礎知識的理解掌握．