Question

20．汽车尾气和燃煤尾气是造成空气污染的主要原因之一．汽车尾气净化的主要原理为：2NO（g）+2CO$\stackrel{催化剂}{?}$2CO₂（g）+N₂（g）在密闭容器中发生该反应时，c（CO₂）随温度（T）、催化剂的表面积（S）和时间（t）的变化曲线，如图所示．据判断：

（1）该反应的平衡常数表达式为$\frac{{c}^{2}（C{O}_{2}）×c（{N}_{2}）}{{c}^{2}（NO）×{c}^{2}（CO）}$．
（2）当固体催化剂的质量一定时，增大其表面积可提高化学反应速率．若催化剂的表面积S₁＞S₂．在图1中画出c（CO₂）在T₂、S₂条件下达到平衡过程中的变化曲线．
（3）煤燃烧产生的烟气含氮的氧化物，用CH₄催化还原NO_x可以消除氮氧化物的污染．
CH₄（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-867kJ•mol^-1
2NO₂（g）?N₂O₄（g）△H=-56.9kJ•mol^-1
写出CH₄催化还原N₂O₄（g）生成N₂（g）、CO₂（g）和H₂O（g）的热化学方程式CH₄（g）+N₂O₄（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-810.1kJ/mol．
（4）如图2是通过光电转化原理以廉价原料制备新产品的示意图．写出上述光电转化过程的化学反应方程式2CO₂+2H₂O$\frac{\underline{\;光照\;}}{\;}$2HCOOH+O₂．b电极的电反应CO₂+2H⁺+2e^-=HCOOH．

Answer 1

分析 （1）化学平衡常数，是指在一定温度下，可逆反应达到平衡时，各生成物浓度的化学计量数次幂的乘积与各反应物浓度的化学计量数次幂的乘积的比值；
（2）若催化剂的表面积S₁＞S₂，由增大其表面积可提高化学反应速率，故T₂、S₂条件下到达平衡时间比T₂、S₁的时间更长，但不影响化学平衡移动，平衡时二氧化碳的浓度不变；
（3）已知：①CH₄（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-867kJ•mol^-1
②2NO₂（g）?N₂O₄（g）△H=-56.9kJ•mol^-1
根据盖斯定律，①-②可得：CH₄（g）+N₂O₄（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g），反应热也进行相应的计算；
（4）由图可知，二氧化碳与水在光照条件下转化为HCOOH与氧气；b电极上发生还原反应，二氧化碳获得电子，酸性条件下得到HCOOH．

解答 解：（1）可逆反应：2NO（g）+2CO$\stackrel{催化剂}{?}$2CO₂（g）+N₂（g），平衡常数K=$\frac{{c}^{2}（C{O}_{2}）×c（{N}_{2}）}{{c}^{2}（NO）×{c}^{2}（CO）}$，
故答案为：$\frac{{c}^{2}（C{O}_{2}）×c（{N}_{2}）}{{c}^{2}（NO）×{c}^{2}（CO）}$；
（2）若催化剂的表面积S₁＞S₂，由增大其表面积可提高化学反应速率，故T₂、S₂条件下到达平衡时间比T₂、S₁的时间更长，但不影响化学平衡移动，平衡时二氧化碳的浓度不变，在图中画出c（CO₂）在T₂、S₂条件下达到平衡过程中的变化曲线为：，
故答案为：；
（3）已知：①CH₄（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-867kJ•mol^-1
②2NO₂（g）?N₂O₄（g）△H=-56.9kJ•mol^-1
根据盖斯定律，①-②可得：CH₄（g）+N₂O₄（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-810.1kJ/mol，
故答案为：CH₄（g）+N₂O₄（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-810.1kJ/mol；
（3）由图可知，二氧化碳与水在光照条件下转化为HCOOH与氧气，反应方程式为：2CO₂+2H₂O$\frac{\underline{\;光照\;}}{\;}$2HCOOH+O₂；b电极上发生还原反应，二氧化碳获得电子，酸性条件下得到HCOOH，电极反应式为：CO₂+2H⁺+2e^-=HCOOH，
故答案为：2CO₂+2H₂O$\frac{\underline{\;光照\;}}{\;}$2HCOOH+O₂；CO₂+2H⁺+2e^-=HCOOH．

点评 本题考查化学平衡常数、化学平衡影响因素、热化学方程式书写、电极反应式书写等，需要学生灵活运用基础知识分析解决问题，难度中等．