Question

18．2013年初，霧霾天氣多次肆虐我國中東部地區(qū)．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(fā)生該反應(yīng)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(jù)此判斷：
①該反應(yīng)的△H＜0（填“＞”、“＜”）．
②在B溫度下，0～2s內(nèi)的平均反應(yīng)速率v（N_2）=0.025mol/L．s．
③當(dāng)固體催化劑的質(zhì)量一定時，增大其表面積可提高化學(xué)反應(yīng)速率．若催化劑的表面積S₁＞S₂，在上圖中畫出c（CO₂）在T₁、S₂條件下達到平衡過程中的變化曲線．
④若該反應(yīng)在絕熱、恒容的密閉體系中進行，下列示意圖如圖2正確且能說明反應(yīng)在進行到t₁時刻達到平衡狀態(tài)的是bd （填代號）．
（2）直接排放煤燃燒產(chǎn)生的煙氣會引起嚴重的環(huán)境問題．
①煤燃燒產(chǎn)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．
例如：CH₄（g）+2NO₂（g）═N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₁=-867kJ/mol
2NO₂（g）?N₂O₄（g）△H₂=-56.9kJ/mol
寫出CH₄（g）催化還原N₂O₄（g）生成N₂（g）和H₂O（g）的熱化學(xué)方程式CH₄（g）+N₂O₄（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-810.1KJ/mol．
②將燃煤產(chǎn)生的二氧化碳回收利用，可達到低碳排放的目的．圖3是通過人工光合作用，以CO₂和H₂O為原料制備HCOOH和O₂的原理示意圖．催化劑b表面發(fā)生的電極反應(yīng)式為CO₂+2H⁺+2e^-=HCOOH．
③常溫下，0.1mol/L的HCOONa溶液pH為10，則HCOOH的電離常數(shù)Ka=10^-7．

Answer 1

分析 （1）①根據(jù)到達平衡的時間判斷溫度高低，根據(jù)平衡時二氧化碳的濃度判斷溫度對平衡的影響；
②由圖可知，T₂溫度平衡時，二氧化碳的濃度變化量為0.1mol/L，根據(jù)v=$\frac{△c}{△t}$計算v（CO₂），再根據(jù)速率之比等于化學(xué)計量數(shù)之比計算v（N₂）；
③接觸面積越大反應(yīng)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；
④a、到達平衡后正、逆速率相等，不再變化；
b、到達平衡后，溫度為定值，平衡常數(shù)不變，結(jié)合反應(yīng)熱判斷隨反應(yīng)進行容器內(nèi)溫度變化，判斷溫度對化學(xué)平衡常數(shù)的影響；
c、t₁時刻后二氧化碳、NO的物質(zhì)的量發(fā)生變化，最后不再變化；
d、到達平衡后各組分的含量不發(fā)生變化；
（2）①根據(jù)蓋斯定律，由已知熱化學(xué)方程式乘以適當(dāng)?shù)南禂?shù)進行加減構(gòu)造目標(biāo)熱化學(xué)方程式；
②由圖可知，左室投入水，生成氧氣與氫離子，催化劑a表面發(fā)生氧化反應(yīng)，為負極，右室通入二氧化碳，酸性條件下生成HCOOH；
③計算水解平衡常數(shù)Kh，再根據(jù)Ka=$\frac{K{\;}_{w}}{K{\;}_{h}}$計算．

解答 解：（1）①根據(jù)圖象知，“先拐先平數(shù)值大”得T1大于T2，升高溫度，二氧化碳的濃度降低，平衡向逆反應(yīng)方向移動，說明正反應(yīng)是放熱反應(yīng)，即△H＜0，故答案為：＜；
②先根據(jù)圖象計算二氧化碳的反應(yīng)速率，v（CO_2）=$\frac{0.1-0}{2}$=0.05mol/L．s，同一化學(xué)反應(yīng)中同一時間段內(nèi)，各物質(zhì)的反應(yīng)速率之比等于計量數(shù)之比，所以v（N_2）=0.025mol/L．s，故答案為：0.025mol/L．s．
③接觸面積越大反應(yīng)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：；
④a、到達平衡后正、逆速率相等，不再變化，t₁時刻V_正最大，之后隨反應(yīng)進行速率發(fā)生變化，未到達平衡，故a錯誤；
b、該反應(yīng)正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，隨反應(yīng)進行溫度升高，化學(xué)平衡常數(shù)減小，到達平衡后，溫度為定值，達最高，平衡常數(shù)不變，為最小，圖象與實際符合，故b正確，
c、t₁時刻后二氧化碳、NO的物質(zhì)的量發(fā)生變化，t₁時刻未到達平衡狀態(tài)，故c錯誤；
d、NO的質(zhì)量分數(shù)為定值，t₁時刻處于平衡狀態(tài)，故d正確；
故答案為：bd；
（2）①已知：Ⅰ、CH₄（g）+2NO₂（g）═N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₁=-867kJ/mol
Ⅱ、2NO₂（g）?N₂O₄（g）△H₂=-56.9kJ/mol
根據(jù)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由圖可知，左室投入水，生成氧氣與氫離子，催化劑a表面發(fā)生氧化反應(yīng)，為負極，右室通入二氧化碳，酸性條件下生成HCOOH，電極反應(yīng)式為CO₂+2H⁺+2e^-=HCOOH，
故答案為：CO₂+2H⁺+2e^-=HCOOH；
③常溫下，0.1mol/L的HCOONa溶液pH為10，溶液中存在HCOO-水解HCOO^-+H₂O?HCOOH+OH^-，故K_h=$\frac{10{\;}^{-4}×10{\;}^{-4}}{0.1-10{\;}^{-4}}$=10^-7，則HCOOH的電離常數(shù)Ka=$\frac{K{\;}_{w}}{K{\;}_{h}}$=$\frac{10{\;}^{-14}}{10{\;}^{-7}}$=10^-7，
故答案為：10^-7．

點評 本題考查化學(xué)平衡圖象、化學(xué)反應(yīng)速率、影響化學(xué)平衡的因素、熱化學(xué)方程式書寫、原電池、電離平衡常數(shù)與水解平衡常數(shù)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(chǔ)知識的理解掌握．