Question

9．2014年初雾霾天气多次肆虐我国中东部地区．其中，汽车尾气和燃煤尾气是造成空气污染的原因之一．

（1）汽车尾气净化的主要原理为2NO（g）+2CO（g）?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（S）和时间（t）的变化曲线如图2所示．据此判断：
①在T₂温度下，0～2s内的平均反应速率v（N₂）=0.025mol•L^-1•s^-1．
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，在上图中画出c（CO₂）在T₁、S₂条件下达到平衡过程中的变化曲线．
③若该反应在绝热、恒容的密闭体系中进行，下列示意图1正确且能说明反应在进行到t₁时刻达到平衡状态的是BD．
（2）煤燃烧产生的烟气中有含氮的氧化物，用CH₄催化还原NO_x可以消除氮氧化物的污染．
①已知甲烷的燃烧热为890kJ•mol^-1；1mol水蒸气变成液态水放热44kJ；N₂与O₂生成NO的过程如下，

CH₄（g）+4NO（g）═2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-612kJ•mol^-1．
②在恒压下，将CH₄（g）和NO₂（g）置于密闭容器中，也可以发生化学反应：
CH₄（g）+2NO₂（g）?N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H＜0，提高NO₂转化率的措施有BC．
A．增加原催化剂的表面积        
B．降低温度  
C．减小投料比[$\frac{n（N{O}_{2}）}{n（C{H}_{4}）}$]
D．增大压强
（3）在容积相同的两个密闭容器内（装有等量的某种催化剂）先各通入等量的CH₄，然后再分别充入等量的NO和NO₂．在不同温度下，同时分别发生上述的两个反应：并在t秒时测定其中NO_x转化率，绘得图象如图3所示：
从图中可以得出的结论是结论：在250～450℃时，NO_x转化率随温度升高而增大，450～600℃时NO_x转化率随温度升高而减小
推测原因是在250～450℃时，NO_x转化率随温度升高而增大，反应未建立平衡，温度升高反应一定正向进行；450～600℃（温度较高）时，反应已达平衡，所以，温度升高平衡逆向移动，NO_x转化率随温度升高反而减小．
结论二：相同温度下NO的转化率比NO₂的低．

Answer 1

分析 （1）①由图可知，T₂温度平衡时，二氧化碳的浓度变化量为0.1mol/L，根据v=$\frac{△c}{△t}$计算v（CO₂），再根据速率之比等于化学计量数之比计算v（N₂）；
②接触面积越大反应速率越快，到达平衡的时间越短，催化剂的表面积S₁＞S₂，S₂条件下达到平衡所用时间更长，但催化剂不影响平衡移动，平衡时二氧化碳的浓度与温度T₁到达平衡时相同；
③A．到达平衡后正、逆速率相等，不再变化；
B．到达平衡后，温度为定值，平衡常数不变，结合反应热判断随反应进行容器内温度变化，判断温度对化学平衡常数的影响；
C．t₁时刻后二氧化碳、NO的物质的量发生变化，最后不再变化；
D．到达平衡后各组分的含量不发生变化；
（2）①根据图2写出热化学方程式，利用甲烷燃烧热写出热化学方程式，根据1mol水蒸气变成液态水放热44kJ写出热化学方程式，再利用盖斯定律，由已知热化学方程式乘以适当的系数进行加减构造目标热化学方程式；
②根据化学平衡移动影响因素判断；
（3）根据图象中氮氧化物的转化率变化趋势判断；根据图象中，两种氮氧化物转化率大小判断．

解答 解：（1）①由图可知，T₂温度时2s到达平衡，平衡时二氧化碳的浓度变化量为0.1mol/L，故v（CO₂）=$\frac{0.1mol/L}{2s}$0.05mol/（L•s），速率之比等于化学计量数之比，故v（N₂）=0.5v（CO₂）=0.5×0.05mol/（L•s）=0.025mol/（L•s），
故答案为：0.025mol/（L•s）；
②接触面积越大反应速率越快，到达平衡的时间越短，催化剂的表面积S₁＞S₂，S₂条件下达到平衡所用时间更长，但催化剂不影响平衡移动，平衡时二氧化碳的浓度与温度T₁到达平衡时相同，故c（CO₂）在T₁、S₂条件下达到平衡过程中的变化曲线为，故答案为：；
③A．到达平衡后正、逆速率相等，不再变化，t₁时刻V_正最大，之后随反应进行速率发生变化，未到达平衡，故A错误；
B．该反应正反应为放热反应，随反应进行温度升高，化学平衡常数减小，到达平衡后，温度为定值，达最高，平衡常数不变，故B正确；
C、t₁时刻后二氧化碳、NO的物质的量发生变化，t₁时刻未到达平衡状态，故C错误；
D、NO的质量分数为定值，t₁时刻处于平衡状态，故D正确，
故答案为：BD；
（2）①根据图2，旧键断裂吸收能量为：945+498=1443KJ/mol，放出能量为：2×630=1260KJ/mol，则热化学方程式为2NO=O₂+N₂△H=-1260+1443=183KJ/mol①；甲烷燃烧热为890kJ/mol，可写出热化学方程式为CH₄（g）+2O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l），△H=-890kJ/mol②；
H₂O（g）=H₂O（l），△H=-44kJ/mol③；由盖斯定律可知②+①×2-③×2，可得目标热化学方程式，则△H=-890kJ/mol+183/mol×2-（44kJ/mol）×2=-612kJ•mol^-1，
故答案为：-612kJ•mol^-1；
②A．增加原催化剂的表面积，同时加快正逆反应速率，化学平衡不移动，故A错误；
B．该反应△H＜0，正反应方向放热，降低温度向正反应方向进行，可提高转化率，故B正确；
C．减小投料比，则相当于增大了甲烷浓度，可提高NO₂转化率，故C正确；
D．反应前后气体体积之和相同，增大压强化学平衡不发生移动，故D错误；
故选：BC；
（3）在250℃-450℃时，NO_x转化率随温度升高而增大，说明温度升高有利于反应的正向进行，推知反应未达化学平衡状态，升高温度加快反应速率，故转化率增大；450℃-600℃（温度较高）时，转化率降低，即升高温度，化学平衡向逆反应方向移动；
图象中不难看出相同温度下NO转化效率高于NO₂的转化率，
故答案为：在250℃-450℃时，NO_x转化率随温度升高而增大：反应未建立平衡，温度升高反应一定正向进行；450℃-600℃（温度较高）时，反应已达平衡，所以，温度升高平衡逆向移动，NO_x转化率随温度升高反而减小；相同温度下NO转化效率比NO₂的低．

点评 本题考查化学平衡图象、化学反应速率、影响化学平衡的因素、平衡常数计算等，题目综合性较大，较难，是对知识的综合利用、注意基础知识的理解掌握．