Question

5．2015年5月5日，北京開啟“燒烤”模式，氣溫高達 35℃，臭氧代替 PM2.5 坐上大氣 污染物的“頭把交椅”．汽車和工業廢氣中的氮氧化物因經光化學反應可形成臭氧而被列入北京的污染物排放源清單．氮氧化物處理通常有下列途徑：
（1）在汽車排氣管內安裝催化轉化器，可將汽車尾氣中主要污染物轉化為無毒的大氣循環物質
①反應 2NO（g）+2CO（g）?2CO₂（g）+N₂（g）能夠自發進行，則該反應的△H＜0（填“＞”或“＜”）．
②根據傳感器記錄某溫度下 NO、CO 的反應進程，測量所得數據繪制出圖 1．前1S內平均反應速率v（N₂）=2.7×10^-4mol/（L．s）；第 2S時的X值范圍25.2＜X＜30.6．
③在一定溫度下，向體積為VL的密閉容器中充入一定量的NO和CO．在t1時刻達到平衡
狀態，此時 n（CO）=amol，n（NO）=2amol，n（N₂）=bmol．若保持體積不變，再向容器中充 入 n（CO₂）=bmol，n（NO）=amol，則此時 v 正=v逆（填“＞”、“=”或“＜”）；
④在t₂時刻，將容器迅速壓縮到原容積的$\frac{1}{2}$，在其它條件不變的情況下，t₃時刻達到新的平衡狀態．請在圖2中補充畫出t₂-t₃-t₄時段N₂物質的量的變化曲線．
（2）煙氣中含有的氮氧化物（NOx）可與甲烷在一定條件下反應轉化為無害成分，從而消除污染．
已知：CH₄（g）+2O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（l）K₁△H=a kJ•mol^-1；N₂（g）+O₂（g）═2NO（g）K₂△H=b kJ•mol^-1；
CH₄脫硝的熱化學方程式為 CH₄（g）+4NO（g）═CO₂（g）+2N₂（g）+2H₂O（l）△H=（a-2b）kJ•mol^-1； 平衡常數K=$\frac{{K}_{1}}{{{K}_{2}}^{2}}$（K用 K₁、K₂表示）
（3）C₂H₄也可用于煙氣脫硝．為研究溫度、催化劑中 Cu²⁺負載量對其NO去除率的影響，控制其他條件一定實驗結果如圖3所示．為達到最高的NO去除率，應選擇的反應溫度和Cu²⁺負載量分別是350℃、負載率3%．
（4）工業尾氣中氮的氧化物常采用堿液吸收法處理．NO₂被足量純堿溶液完全吸收后得到兩種鈉鹽，同時產生CO₂．請寫出NO₂與純堿反應的化學方程式：Na₂CO₃+2NO₂═NaNO₃+NaNO₂+CO₂．

Answer 1

分析 （1）①反應自發進行的判斷依據為△H-T△S＜0；
②利用v=$\frac{△c}{△t}$計算v（CO），根據速率之比等于化學計量數之比求v（CO₂）；根據速率之比等于化學計量數之比求v（N₂）；根據隨著反應進行反應速率越來越小分析；
③根據三行式結合化學平衡的移動知識來計算分析；
④壓縮容器體積，增大了壓強，正逆反應速率增大，平衡向著氣體體減小的方向移動，據此畫出從t₂-t₃-t₄時段，正反應速率的變化曲線；
（2）依據熱化學方程式和蓋斯定律計算得到所需熱化學方程式，平衡常數=$\frac{生成物平衡濃度冪次方乘積}{反應物平衡濃度冪次方乘積}$，依據反應的平衡常數計算分析平衡常數的關系；
（3）脫硝率高，負載率低，適宜的溫度；
（4）反應與NO₂和NaOH反應相似，生成NaNO₂、NaNO₃和CO₂，以此書寫反應的化學方程式．

解答 解：（1）①反應 2NO（g）+2CO（g）?2CO₂（g）+N₂（g）能夠自發進行，反應△S＜0，若滿足△H-T△S＜0，必須△H＜0，
故答案為：＜；
②一氧化氮的反應速率為v（CO）=$\frac{△c}{△t}$=$\frac{（36-30.6）×1{0}^{-4}mol/L}{1s}$=5.4×10^-3mol/L．s，同一化學反應同一時間段內，各物質的反應速率之比等于計量數之比，
同一化學反應同一時間段內，各物質的反應速率之比等于計量數之比，所以v（N₂）=$\frac{1}{2}$v（CO）=2.7×10^-4mol/（L．s）；
因為隨著反應進行反應速率越來越小，所以第2S消耗的CO小于第1S的36-30.6=5.4，則第2s時的30.6＞x＞30.6-5.4=25.2，
故答案為：2.7×10^-4mol/（L．s）；25.2＜X＜30.6；
 ③在一定溫度下，向體積為 V L的密閉容器中充入一定量的NO和CO．在t₁時刻達到平衡狀態，此時n（CO）=a mol，n（NO）=2a mol，n（N₂）=b mol．依據化學平衡三段式列式計算
              2NO（g）+2CO（g）?N₂（g）+2CO₂（g）
起始量（mol）  2a+2b   a+2b       0        0
變化量（mol）   2b       2b        b       2b
平衡量（mol）   2a       a        b       2b  
若保持體積不變，再向容器中充入n（CO₂）=b mol，n（NO）=a mol，正逆進行程度相同，平衡不動，正逆反應速率相同；
故答案為：=；     
④在t₂時刻，將容器迅速壓縮到原容積的$\frac{1}{2}$，在其它條件不變的情況下，瞬間氮氣物質的量不變，濃度增大，相當于增大壓強，平衡正向進行，氮氣物質的量增大，最后不變，t₃時刻達到新的平衡狀態如圖；
故答案為：；

（2）①CH₄（g）+2O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（l）   K₁=$\frac{c（C{O}_{2}）{c}^{2}（{H}_{2}O）}{c（C{H}_{4}）{c}^{2}（{O}_{2}）}$△H=a kJ•mol^-1；
②N₂（g）+O₂（g）═2NO（g）  K₂=_{$\frac{{c}^{2}（NO）}{c（{N}_{2}）c（{O}_{2}）}$} △H=b kJ•mol^-1；
依據蓋斯定律計算，①-②×2得到CH₄脫硝的熱化學方程式為 CH₄（g）+4NO（g）═CO₂（g）+2N₂（g）+2H₂O（l）△H=（a-2b ）kJ•mol^-1；
K₃=$\frac{c（C{O}_{2}）{c}^{2}（{N}_{2}）{c}^{2}（{H}_{2}O）}{c（C{H}_{4}）{c}^{4}（NO）}$=$\frac{{K}_{1}}{{{K}_{2}}^{2}}$，
故答案為：（a-2b ）kJ•mol^-1；K₃=$\frac{{K}_{1}}{{{K}_{2}}^{2}}$；
（3）滿足脫硝率高，負載率低，適宜的溫度，由圖可知，適合條件為350℃、負載率3%．
故答案為：350℃、負載率3%；
（4）反應與NO₂和NaOH反應相似，生成NaNO₂、NaNO₃和CO₂，則反應的化學方程式為2NO₂+Na₂CO₃=NaNO₂+NaNO₃+CO₂，
故答案為：2NO₂+Na₂CO₃=NaNO₂+NaNO₃+CO₂．

點評 本題考查蓋斯定律的應用、放熱反應與吸熱反應、熱化學方程式的書寫．難度中等．根據圖象分析出分解率的變化特點是解題的關鍵，掌握基礎是關鍵．