Question

4．某条件下，在2L密闭容器中发生如下反应：2NO₂（g）?2NO（g）+O₂（g），在三种不同条件下进行，其中实验Ⅰ、Ⅱ都在800℃，实验Ⅲ在850℃，NO、O₂的起始浓度都为0，NO₂的浓度（mol•L^-1）随时间（min）的变化如图所示．请回答下列问题：
（1）实验Ⅱ隐含的反应条件是使用了催化剂．
（2）实验II中，从反应开始至达到平衡，用氧气浓度变化表示的化学反应速率为0.0125mol•L^-1•min^-1．
（3）800℃时，该反应的平衡常数K=0.25．该反应是吸（填“吸”或“放”）热反应．
（4）若实验Ⅰ中达到平衡后，再向密闭容器中通入2mol由物质的量之比为1：1组成的NO₂与O₂混合气体（保持温度不变），此时反应将向向正反应方向（填“正反应”或“逆反应”）方向进行．
（5）NO₂、NO是重要的大气污染物，近年来人们利用NH₃在一定条件下与之反应而将其转化为无害的参与大气循环的物质，如：8NH₃+6NO₂$\frac{\underline{\;催化剂\;}}{\;}$7N₂+12H₂O．若将此反应设计成原电池，融熔K₂CO₃为电解质，则正极反应方程式为：2NO₂+4CO₂+8e^-=N₂+4CO₃^2-或6NO₂+12CO₂+24e^-=3N₂+12CO₃^2-．
（6）向AlCl₃溶液中逐滴加入氨水，发生如下反应Al³⁺+3NH₃•H₂O?Al（OH）₃↓+3NH${\;}_{4}^{+}$，一般认为残留在溶液中的离子浓度小于1×10^-5 mol•L^-1时，沉淀已完全．已知当溶液中Al³⁺恰好沉淀完全时溶液的pH=4.7，则Al（OH）₃的溶度积常数为1.25×10^-33mol⁴•L^-4（已知：lg2=0.3）．

Answer 1

分析 （1）实验Ⅰ和实验Ⅱ平衡时NO₂的浓度相同，但实验Ⅱ反应速率大；
（2）图象中二氧化氮的浓度改变为1.0mol/L-0.5mol/L=0.5mol/L，反应速率v=$\frac{△c}{△t}$计算得到，反应速率之比等于化学方程式计量数之比计算得到氧气表示的反应速率；
（3）化学平衡常数为生成物浓度幂之比与反应物浓度幂之比的比，由图可知，温度越高，平衡时NO₂的浓度越小；
（4）根据平衡常数和浓度商判断平衡移动，实验Ⅰ中达平衡后，c（NO₂）=0.5mol/L，
            2NO₂（g）?2NO（g）+O₂（g）
开始（mol/L）：1        0      0
变化（mol/L）：0.5     0.5     0.25
平衡（mol/L）：0.5     0.5     0.25
平衡常数k=$\frac{{c}^{2}（NO）×c（{O}_{2}）}{{c}^{2}（N{O}_{2}）}$=0.25；
（5）利用氧化还原反应分析发生的化学反应，8NH₃+6NO₂$\frac{\underline{\;一定条件\;}}{\;}$7N₂+12H₂O．若将此反应设计成原电池，融熔K₂CO₃为电解质，正极是二氧化氮得到电子发生还原反应；
（6）依据溶液pH计算溶液中氢离子浓度，结合溶度积常数计算氢原子氢氧根离子浓度，溶度积常数Ksp=c³（OH^-）c（Al³⁺）计算得到．

解答 解：（1）因实验Ⅰ和实验Ⅱ平衡时NO₂的浓度相同，但实验Ⅱ反应速率大，则实验Ⅱ使用了催化剂，故答案为：使用了催化剂；
（2）实验Ⅱ达到平衡所需时间为20min，图象中二氧化氮的浓度改变为1.0mol/L-0.5mol/L=0.5mol/L，二氧化氮的反应速率v=$\frac{△c}{△t}$=$\frac{0.5mol/L}{20min}$=0.025mol/L，反应速率之比等于化学方程式计量数之比计算得到氧气表示的反应速率=$\frac{1}{2}$V（NO₂）=$\frac{1}{2}$×0.025mol/L=0.0125mol•L^-1•min^-1；
故答案为：0.0125mol•L^-1•min^-1；
（3）由反应2NO₂（g）?2NO（g）+O₂（g），则K=$\frac{{c}^{2}（NO）×c（{O}_{2}）}{{c}^{2}（N{O}_{2}）}$，实验Ⅰ中达平衡后，c（NO₂）=0.5mol/L，
              2NO₂（g）?2NO（g）+O₂（g）
开始（mol/L）：1         0       0
变化（mol/L）：0.5       0.5     0.25
平衡（mol/L）：0.5       0.5     0.25
平衡常数k=$\frac{{c}^{2}（NO）×c（{O}_{2}）}{{c}^{2}（N{O}_{2}）}$=$\frac{0.25×0．{5}^{2}}{0．{5}^{2}}$=0.25，
又温度越高，平衡时NO₂的浓度越小，则正反应为吸热反应，
故答案为：0.25；吸；
（4）实验Ⅰ中达平衡后，c（NO₂）=0.5mol/L，
2NO₂（g）?2NO（g）+O₂（g）
开始（mol/L）：1 0 0
变化（mol/L）：0.5 0.5 0.25
平衡（mol/L）：0.5 0.5 0.25
平衡常数k=$\frac{{c}^{2}（NO）×c（{O}_{2}）}{{c}^{2}（N{O}_{2}）}$=0.25，
通入2mol由物质的量之比为1：1组成的NO₂与O₂混合气体（保持温度不变），
此时为c（NO₂）=0.5mol/L+$\frac{1mol}{2L}$=1mol/L，c（NO）=0.5mol/L，c（O₂）=0.25mol/L+$\frac{1mol}{2L}$=0.75mol/L，
浓度商为Qc=$\frac{{c}^{2}（NO）×c（{O}_{2}）}{{c}^{2}（N{O}_{2}）}$=$\frac{0．{5}^{2}×0.75}{{1}^{2}}$=0.1825＜0.25，平衡向右移动，
故答案为：向正反应方向；
（5）8NH₃+6NO₂$\frac{\underline{\;一定条件\;}}{\;}$7N₂+12H₂O．若将此反应设计成原电池，融熔K₂CO₃为电解质，因氨气具有还原性，NO₂具有氧化性，由氧化还原反应转化为无毒的氮气可排放在环境中，氧化还原反应为8NH₃+6NO₂=7N₂+12H₂O形成原电池反应正极上是二氧化氮得到电子生成氮气，电极反应为：2NO₂+4CO₂+8e^-=N₂+4CO₃^2-或6NO₂+12CO₂+24e^-=3N₂+12CO₃^2-；
故答案为：2NO₂+4CO₂+8e^-=N₂+4CO₃^2-或6NO₂+12CO₂+24e^-=3N₂+12CO₃^2-；
（6）已知当溶液中Al³⁺恰好沉淀完全时溶液的pH=4.7，溶液中氢氧根离子浓度c（OH^-）=$\frac{1{0}^{-14}}{1{0}^{-4.7}}$=10^-9.3mol/L=$\frac{1{0}^{-9}}{1{0}^{0.3}}$mol/L=$\frac{1×1{0}^{-9}}{2}$mol/L=5×10^-5mol/L，一般认为残留在溶液中的离子浓度小于1×10^-5 mol•L^-1时，沉淀已完全，则Al（OH）₃的溶度积常数为Ksp=c³（OH^-）c（Al³⁺）=（5×10^-10）³×1×10^-5 =1.25×10^-33mol⁴•L^-4；
故答案为：1.25×10^-33mol⁴•L^-4．

点评 本题考查图象与化学平衡，原电池原理分析，溶度积常数、平衡常数的计算分析，明确影响化学平衡的因素及图象中量的是解答本题的关键，注意利用K与Q来分析平衡移动的方法，题目难度中等．