Question

15．汽車尾氣中的NO_x是大氣污染物之一，科學(xué)家們在嘗試用更科學(xué)的方法將NO_x轉(zhuǎn)化成無毒物質(zhì)，從而減少汽車尾氣污染．
（1）壓縮天然氣（CNG）汽車的優(yōu)點(diǎn)之一是利用催化技術(shù)能夠?qū)�NO_x轉(zhuǎn)變成無毒的CO₂和N₂．
①CH₄（g）+4NO₂（g）═4NO（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₁
②CH₄（g）+4NO（g）═2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₂
③CH₄（g）+2NO₂（g）═N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₃
則△H₁、△H₂、△H₃三者關(guān)系式為△H₃ =$\frac{△{H}_{1}+△{H}_{2}}{2}$．
（2）在恒壓下，將CH₄（g）和NO₂（g）置于密閉容器中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)③，在不同溫度、不同投料比時，NO₂的平衡轉(zhuǎn)化率見下表：

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

①寫出該反應(yīng)平衡常數(shù)的表達(dá)式K=$\frac{c（{N}_{2}）{c}^{2}（{H}_{2}O）c（C{O}_{2}）}{c（C{H}_{4}）{c}^{2}（N{O}_{2}）}$．
②若溫度不變，提高[n（NO₂）：n（CH₄）]投料比，則K將不變．（填“增大”、“減小”或“不變”）
③400K時，將投料比為1的NO₂和CH₄的混合氣體共0.04mol，充入一裝有催化劑的5L容器中，10分鐘達(dá)到平衡，則NO₂的化學(xué)反應(yīng)速率為0.00024mol/L•min．
（3）連續(xù)自動監(jiān)測氮氧化物（NO_x）的儀器動態(tài)庫侖儀的工作原理示意圖如圖1

①NiO電極上NO發(fā)生的電極反應(yīng)式NO-2e^-+O^2-═NO₂．
②收集某汽車尾氣經(jīng)測量NO_x的含量為1.12%（體積分?jǐn)?shù)），若用甲烷將其完全轉(zhuǎn)化為無害氣體，處理110⁴L（標(biāo)準(zhǔn)狀況下）該尾氣需要甲烷30g，則尾氣中n（NO）：n（NO₂）=1：1．
（4）在容積相同的兩個密閉容器內(nèi)（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(fā)生②③兩個反應(yīng)：并在t秒時測定其中NO_x轉(zhuǎn)化率，繪得圖象如圖2所示：
①從圖中可以得出的結(jié)論是：
結(jié)論一：相同溫度下NO轉(zhuǎn)化效率比NO₂的低
結(jié)論二：在250℃-450℃時，NO_x轉(zhuǎn)化率隨溫度升高而增大，450℃-600℃時NO_x轉(zhuǎn)化率隨溫度升高而減小
結(jié)論二的原因是在250°C-450°C時，NOx轉(zhuǎn)化率隨溫度升高而增大，反應(yīng)正向進(jìn)行，400°C左右達(dá)到最大，反應(yīng)達(dá)到平衡，450°C-600°C時NOx轉(zhuǎn)化率隨溫度升高而減小，反應(yīng)是放熱反應(yīng)，升溫平衡逆向進(jìn)行，二氧化氮轉(zhuǎn)化率減�。�
②在上述NO₂和CH₄反應(yīng)中，提高NO₂轉(zhuǎn)化率的措施有BCF．（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(qiáng)
E．增加原催化劑的表面積         F．減小投料比[n（NO₂）：n（CH₄）]．

Answer 1

分析 （1）依據(jù)熱化學(xué)方程式和蓋斯定律計(jì)算得到所需讓化學(xué)方程式，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=
依據(jù)蓋斯定律 $\frac{①+②}{2}$得到目標(biāo)方程式③；
（2）①依據(jù)化學(xué)方程式結(jié)合平衡常數(shù)概念書寫平衡常數(shù)表達(dá)式，平衡常數(shù)等于生成物平衡濃度冪次方乘積除以反應(yīng)物平衡濃度冪次方乘積；
②平衡常數(shù)隨溫度變化，不隨濃度變化；
③400K時，將投料比為1的NO₂和CH₄的混合氣體共0.04mol，二氧化氮轉(zhuǎn)化率為60%，依據(jù)化學(xué)平衡三段式列式計(jì)算；
（3）①根據(jù)圖片知，鉑電極上氧氣得電子發(fā)生還原反應(yīng)而作正極，NiO電極上NO失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，則NiO為負(fù)極，正極上電極反應(yīng)式為：O₂+4e^-═2O^2-，負(fù)極上電極反應(yīng)式為：NO-2e^-+O^2-═NO₂，結(jié)合電池內(nèi)部離子移動方向判斷．
②依據(jù)一氧化氮、二氧化氮變化為氮?dú)�，甲烷變化為二氧化碳過程中電子轉(zhuǎn)移守恒列式計(jì)算；
（4）①根據(jù)圖象分析，開始二氧化氮轉(zhuǎn)化率增大，反應(yīng)正向進(jìn)行，400°C左右達(dá)到最大，繼續(xù)加熱，二氧化氮轉(zhuǎn)化率減小，反應(yīng)是放熱反應(yīng)，說明平衡逆向進(jìn)行；
②根據(jù)外界條件對化學(xué)平衡的影響分析．

解答 解：（1）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=
依據(jù)蓋斯定律 $\frac{①+②}{2}$得到目標(biāo)方程式③，所以，CH₄（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₃=$\frac{△{H}_{1}+△{H}_{2}}{2}$，
故答案為：△H₃=$\frac{△{H}_{1}+△{H}_{2}}{2}$；
（2）①在恒壓下，將CH₄（g）和NO₂（g）置于密閉容器中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)③CH₄（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g），反應(yīng)的平衡常數(shù)表達(dá)式是利用平衡狀態(tài)生成物濃度冪次方乘積除以反應(yīng)物濃度冪次方乘積，該反應(yīng)的平衡常數(shù)的表達(dá)式 K=$\frac{c（{N}_{2}）{c}^{2}（{H}_{2}O）c（C{O}_{2}）}{c（C{H}_{4}）{c}^{2}（N{O}_{2}）}$，
故答案為：$\frac{c（{N}_{2}）{c}^{2}（{H}_{2}O）c（C{O}_{2}）}{c（C{H}_{4}）{c}^{2}（N{O}_{2}）}$；
②平衡常數(shù)K不受濃度和壓強(qiáng)的影響，只受溫度的影響，溫度不變K不變，故答案為：不變；
③400 K時，將投料比為1的NO₂和CH₄的混合氣體共0.04 mol，二氧化氮轉(zhuǎn)化率為60%，充入一裝有催化劑的容器中，充分反應(yīng)后，則
        CH₄（g）+2NO₂（g）$\frac{\underline{催化劑}}{△}$ N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）
n始     0.02        0.02          0        0          0
n轉(zhuǎn)    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
平衡時NO₂的反應(yīng)速率=$\frac{0.012mol}{5L×1Omin}$=0.00024mol/L•min，
故答案為：0.00024mol/L•min；
（3）①負(fù)極NiO上一氧化氮失電子和氧離子反應(yīng)生成二氧化氮，電極反應(yīng)式為NO-2e^-+O^2-═NO₂，故答案為：NO-2e^-+O^2-═NO₂；
②收集某汽車尾氣經(jīng)測量NO_x的含量為1.12%（體積分?jǐn)?shù)），若用甲烷將其完全轉(zhuǎn)化為無害氣體，處理1×10⁴L（標(biāo)準(zhǔn)狀況下）該尾氣需要甲烷30g，設(shè)尾氣中NO物質(zhì)的量為x，NO₂物質(zhì)的量為y，2NO～N₂～4e^-，2NO₂～N₂～4e^-，CH₄～CO₂～8e^-，
2x+4y=$\frac{30g}{16g/mol}$×8=15mol
x+y=$\frac{1×1{0}^{4}L×1.12%}{22.4L/mol}$=5mol
計(jì)算得到x=2.5mol，y=2.5mol
尾氣中V（NO）：V（NO₂）=1：1
故答案為；1：1；
（4）①通過圖象知，NO轉(zhuǎn)化效率比NO₂ 的低；在250°C-450°C時，NOx轉(zhuǎn)化率隨溫度升高而增大，450°C-600°C時NOx轉(zhuǎn)化率隨溫度升高而減小，圖象分析，開始二氧化氮轉(zhuǎn)化率增大，反應(yīng)正向進(jìn)行，450°C左右達(dá)到最大，繼續(xù)加熱，二氧化氮轉(zhuǎn)化率減小，反應(yīng)是放熱反應(yīng)，說明平衡逆向進(jìn)行，
故答案為：在250°C-450°C時，NOx轉(zhuǎn)化率隨溫度升高而增大，反應(yīng)正向進(jìn)行，400°C左右達(dá)到最大，反應(yīng)達(dá)到平衡，450°C-600°C時NOx轉(zhuǎn)化率隨溫度升高而減小，反應(yīng)是放熱反應(yīng)，升溫平衡逆向進(jìn)行，二氧化氮轉(zhuǎn)化率減�。�
②上述NO₂和CH₄反應(yīng)中，該反應(yīng)是放熱反應(yīng)，且該反應(yīng)是氣體體積增大的反應(yīng)，提高NO₂轉(zhuǎn)化率的措施促使平衡正向進(jìn)行；
A、催化劑只改變反應(yīng)到達(dá)平衡的時間，不改變化學(xué)平衡狀態(tài)，故A錯誤；
B、該反應(yīng)是放熱反應(yīng)，所以降低溫度，平衡向正反應(yīng)方向移動，增大二氧化氮的轉(zhuǎn)化率，故B正確；
C、分離出H₂O（g），減少生成物的濃度，平衡向正反應(yīng)方向移動，增大二氧化氮的轉(zhuǎn)化率，故C正確；
D、該反應(yīng)是氣體體積增大的反應(yīng)，增大壓強(qiáng)，平衡向逆反應(yīng)方向移動，二氧化氮的轉(zhuǎn)化率降低，故D錯誤；
E、增加原催化劑的表面積改變反應(yīng)速率，平衡不動，故E錯誤；
F、減小投料比[$\frac{n（N{O}_{2}）}{n（C{H}_{4}）}$]，甲烷增多，二氧化氮減小，二氧化氮轉(zhuǎn)化率提高，故F正確；
故答案為：BCF．

點(diǎn)評 本題考查了蓋斯定律計(jì)算，原電池原理應(yīng)用，化學(xué)平衡常數(shù)，平衡影響因素的分析判斷，注意圖象變化規(guī)律的理解應(yīng)用，掌握平衡移動原理是關(guān)鍵，題目難度較大．