Question

汽車尾氣中的NOx是大氣污染物之一，科學家們在嘗試用更科學的方法將NOx轉化成無毒物質，從而減少汽車尾氣污染。

（1）壓縮天然氣（CNG）汽車的優點之一是利用催化技術能夠將NOx轉變成無毒的CO2和N2。

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＝????????? 。（用△H1和△H2表示）

（2）在恒壓下，將CH4(g)和NO2(g)置于密閉容器中發生化學反應③，在不同溫度、不同投料比時，NO2的平衡轉化率見下表：

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

 

①寫出該反應平衡常數的表達式K=????????? 。

②若溫度不變，提高[n(NO2) / n(CH4)]投料比，則K將????????? 。（填“增大”、“減小”或“不變”。）

③400 K時，將投料比為1的NO2和CH4的混合氣體共0.04 mol，充入一裝有催化劑的容器中，充分反應后，平衡時NO2的體積分數???????? 。

（3）連續自動監測氮氧化物（NOx）的儀器動態庫侖儀的工作原理示意圖如圖1

圖1???????????????????????????????????? 圖2

①NiO電極上NO發生的電極反應式：???????????????????????????????? 。

②收集某汽車尾氣經測量NOx的含量為1.12%（體積分數），若用甲烷將其完全轉化為無害氣體，處理1×104L（標準狀況下）該尾氣需要甲烷30g，則尾氣中V(NO)︰V(NO2)=???

（4）在容積相同的兩個密閉容器內 (裝有等量的某種催化劑) 先各通入等量的CH4，然后再分別充入等量的NO和NO2。在不同溫度下，同時分別發生②③兩個反應：并在t秒時測定其中NOx轉化率，繪得圖象如圖2所示：

①從圖中可以得出的結論是

結論一：相同溫度下NO轉化效率比NO2的低

結論二：在250℃-450℃時，NOx轉化率隨溫度升高而增大，450℃-600℃時NOx轉化率隨溫度升高而減小

結論二的原因是????????????????????????????????????????????????????

②在上述NO2和CH4反應中，提高NO2轉化率的措施有_________。(填編號)

A．改用高效催化劑???? B．降低溫度???? C.分離出H2O(g)?????? D．增大壓強

E．增加原催化劑的表面積?? F．減小投料比[n(NO2) / n(CH4)]

 

Answer 1

【答案】

（1）?? （1分）

（2）①?? （1分）???? 不變?? （2分）

② 17.4%??????? （2分）

（3）① NO + O2 --2e- = NO2? （2分）

② 1 : 1?????????????????? （2分）

（4）① 原因是：在250℃-450℃時，反應未達到平衡，反應還在正向進行。? （1分）

450℃-600℃時，反應已達平衡，所以，溫度升高平衡逆向移動，NOx轉化率隨溫度升高而減小。（其他合理答案也給分）?? （1分）

② BCF???????? （2分）

【解析】

試題分析：（1） 即為目標方程式③，所以，

（2）① 該反應的平衡常數的表達式

② 平衡常數K不受濃度和壓強的影響，只受溫度的影響，溫度不變K不變。

③ 400 K時，將投料比為1的NO2和CH4的混合氣體共0.04 mol，充入一裝有催化劑的容器中，充分反應后，平衡時NO2的體積分數為：

???????? CH4(g)? ＋? 2NO2(g) N2(g) ＋ CO2(g) ＋ 2H2O(g)

n始???? 0.02??????? 0.02????????? 0??????? 0????????? 0

n轉??? 0.006? 0.02×0.6=0.012?? 0.006??? 0.006????? 0.012

n平??? 0.014?????? 0.008??????? 0.006??? 0.006????? 0.012

0.014 + 0.008 + 0.006 + 0.006 + 0.012 = 0.046

平衡時NO2的體積分數=

（3）連續自動監測氮氧化物（NOx）的儀器動態庫侖儀實際上就是應用原電池原理，從圖1可知Pt電極（通入O2的一極）為電池的正極，NiO電極（通入NO的一極）為電池的負極，O2 –可以通過固體電解質移向負極。所以，

① NiO電極上NO發生的電極反應式：NO + O2 --2e- = NO2 。

② 1×104L（標準狀況下）尾氣中含NOx的體積為：1×104L×1.12% = 112L，

NOx的物質的量為：。

設NO和NO2的物質的量分別為x、y mol，根據反應化學方程式①和②：

① CH4(g) ＋ 4NO2(g) 4NO(g) ＋ CO2(g)＋2H2O(g)????

?? 16g??????? 4??????????????? 4

?? m 1???????????? y??????????????? y????? m 1 = 4y

② CH4(g) ＋ 4NO(g) 2N2(g) ＋ CO2(g)＋2H2O(g)??

16g??????? 4????????

m 2 ????? (x+y)???????????????????? m 2 = 4(x+y)

則： x+y = 5；4(x+y)+ 4y = 30

解得：x =2.5 mol = 2.5 mol

所以，尾氣中V(NO)︰V(NO2) = 1 ︰ 1 。

（4）①從圖2 變化曲線分析，結論二的原因是：在250℃-450℃時，反應未達到平衡，反應還在正向進行；故NOx轉化率隨溫度升高而增大；在在450℃-600℃時反應已達到平衡狀態，因為該反應是放熱反應，此時溫度升高平衡逆向移動，故 NOx轉化率隨溫度升高而減小。

② 由上述NO2和CH4反應的化學方程式的特點分析可知: 該反應是放熱反應；該反應是擴大氣體體積的反應。所以要提高NO2轉化率，可降低溫度，降低溫度能使平衡正向移動，從而提高NO2轉化率；分離出H2O，相當于減小生成物的濃度，使平衡正向移動，從而提高NO2轉化率；減小投料比[n(NO2) / n(CH4)]，相當于增加反應物CH4的濃度，使平衡正向移動，從而增大NO2轉化率。而使用催化劑只能改變反應速率，不影響平衡移動，故NO2轉化率不會變化。增大壓強，平衡逆移，NO2轉化率會減小。因此選B C F。

考點：考查化學反應基本理論，涉及氧化還原反應、化學反應速率與化學平衡、化學反應與能量變化、電化學等