Question

4．近年我国汽车拥有量呈较快增长趋势，汽车尾气已成为重要的空气污染物．回答下列问题：
（1）汽车发动机工作时会引起反应：N₂（g）+O₂（g）?2NO（g），是导致汽车尾气中含有NO的原因之一．2 000 K时，向容积为2 L的密闭容器中充入2 mol N₂与2 mol O₂，发生上述反应，经过5 min达到平衡，此时容器内NO的体积分数为0.75%，则该反应在5 min内的平均反应速率v（O₂）=0.0015mol•L^-1•min^-1，N₂的平衡转化率为0.75%，2 000 K时该反应的平衡常数K=2.25×10^-4；
（2）一定量NO发生分解的过程中，NO的转化率随时间变化的关系如图所示．
①反应2NO（g）?N₂（g）+O₂（g）为放热反应（填“吸热”或“放热”）；
②一定温度下，能够说明反应2NO（g）?N₂（g）+O₂（g）已达到平衡的是c（填序号）；
a．容器内的压强不发生变化　　　　　　　　
b．混合气体的密度不发生变化
c．NO、N₂、O₂的浓度保持不变　　　　　
d．单位时间内分解4mol NO，同时生成2molN₂
③在四个容积和温度均完全相同的密闭容器中分别加入下列物质，相应物质的量（mo1）如表所示．相同条件下达到平衡后，N₂的体积分数最大的是D（填容器代号）；

容器代号	NO	N2	O2
A	2	0	0
B	0	1	1
C	0.4	0.6	0.8
D	1	0.5	0.4

（3）当发动机采用稀薄燃烧时，尾气中的主要污染物为NO_x，可用CH₄催化还原NO₂消除氮氧化物的污染．
已知：CH₄（g）+4NO₂（g）═4NO（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-574kJ•mol^-1
CH₄（g）+2NO₂（g）═N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-867kJ•mol^-1
①写出CH₄与NO反应生成N₂、CO₂、H₂O（g）的热化学方程式：CH₄（g）+4NO（g）=2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-1160kJ/mol
②使用催化剂可以将汽车尾气的主要有害成分一氧化碳（CO）和氮氧化物（NO_x）转化为无毒气体，该反应的化学方程式为2xCO+2NO_x$\frac{\underline{\;催化剂\;}}{\;}$2xCO₂+N₂．

Answer 1

分析 （1）N₂（g）+O₂（g）?2NO（g），
c（初）    1            1              0
c（变）    x             x             2x
c（平）   1-x         1-x           2x
所以$\frac{2x}{2}$=0.0075，解之得x=0.0075mol，由此数据，结合相关公计算求解；
（2）①由图可知T₂大于T₁，而温度越高一氧化氮的转化率越小，所以正反应是放热反应；
②可逆反应达到平衡状态时，正逆反应速率相等（同种物质）或正逆反应速率之比等于系数之比（不同物质），平衡时各种物质的物质的量、浓度等不再发生变化，由此衍生的一些物理量不变，以此分析；
③A将一氧化氮完全转化为氮气和氧气，相当于投氮气和氧气都是1mol，所以A和B是同一平衡，而C用极端相当于投氮气0.8mol和1mol的氧气，所以C相当在A和B平衡的基础上减少氮气的量，平衡逆向移动，所以氮气的体积分数减小，D用极端转化相当于投氮气1mol和0.8mol的氧气，所以D相当在A和B平衡的基础上减少氧气的量，平衡逆向移动，所以氮气的体积分数最大；
（3）①CH₄（g）+4NO₂（g）═4NO（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-574kJ•mol^-1；②CH₄（g）+2NO₂（g）═N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-867kJ•mol^-1；而CH₄与NO反应生成N₂、CO₂、H₂O（g）的反应方程式为：CH₄（g）+4NO（g）=2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g），根据盖斯定律可知：△H=2②-①=-867×2+574═-1160kJ/mol，由此书写热化学方程式；
②一氧化碳（CO）和氮氧化物（NO_x）转化为无毒气体，即二氧化碳和氮气，由此书写化学方程式．

解答 解：（1）N₂（g）+O₂（g）?2NO（g），
c（初）    1            1              0
c（变）    x             x             2x
c（平）   1-x         1-x           2x
所以$\frac{2x}{2}$=0.0075，解之得x=0.0075mol；则该反应在5 min内的平均反应速率v（O₂）=$\frac{0.0075}{5}$=0.0015mol•L^-1•min^-1，N₂的平衡转化率为$\frac{0.0075}{1}×100%$=0.75%，2 000 K时该反应的平衡常数K=$\frac{（2×0.0075）^{2}}{（1-0.0075）^{2}}$=2.25×10^-4，
故答案为：0.0015；   0.75%； 2.25×10^-4；
（2）①由图可知T₂大于T₁，而温度越高一氧化氮的转化率越小，所以正反应是放热反应，故答案为：放热；
②a．两边计量数相等，容器内的压强一直不发生变化，故错误；　　　　　　　　
b．混合气体的密度一直不发生变化，故错误；
c．NO、N₂、O₂的浓度保持不变，说明正逆反应的速率相等，达平衡状态，故正确；　　　　　
d．单位时间内分解4mol NO，同时生成2molN₂，都体现逆反应的方向，故错误；
故选：c；
③A将一氧化氮完全转化为氮气和氧气，相当于投氮气和氧气都是1mol，所以A和B是同一平衡，而C用极端相当于投氮气0.8mol和1mol的氧气，所以C相当在A和B平衡的基础上减少氮气的量，平衡逆向移动，所以氮气的体积分数减小，D用极端转化相当于投氮气1mol和0.8mol的氧气，所以D相当在A和B平衡的基础上减少氧气的量，平衡逆向移动，所以氮气的体积分数最大，则氮气的体积分数大小顺序为：D＞A=B＞C，故选：D；
（3）①CH₄（g）+4NO₂（g）═4NO（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-574kJ•mol^-1；②CH₄（g）+2NO₂（g）═N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-867kJ•mol^-1；而CH₄与NO反应生成N₂、CO₂、H₂O（g）的反应方程式为：CH₄（g）+4NO（g）=2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g），根据盖斯定律可知：△H=2②-①=-867×2+574═-1160kJ/mol，所以热化学方程式为：CH₄（g）+4NO（g）=2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-1160kJ/mol，
故答案为：CH₄（g）+4NO（g）=2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-1160kJ/mol；
②一氧化碳（CO）和氮氧化物（NO_x）转化为无毒气体，即二氧化碳和氮气，所以化学方程式为2xCO+2NO_x$\frac{\underline{\;催化剂\;}}{\;}$2xCO₂+N₂，
故答案为：2xCO+2NO_x$\frac{\underline{\;催化剂\;}}{\;}$2xCO₂+N₂．

点评 本题考查化学平衡移动、盖斯定律的运用和化学方程式的书写，为高频考点，特别是（2）③等效平衡的运用，侧重分析与应用能力的考查，题目难度不大．