Question

2013年初，全国各地多个城市都遭遇“十面霾伏”，造成“阴霾天”的主要根源之一是汽车尾气和燃煤尾气排放出来的固体小颗粒。

汽车尾气净化的主要原理为：2NO(g)+2CO(g) 2CO₂+N₂。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)的变化曲线如下图所示。据此判断：

（1）该反应为        反应(填“放热”或“吸热”）：在T₂温度下，0~2s内的平均反应速率：v(N₂)=          ；（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，在答题卡上画出 c(CO₂)在T₁、S₂条件下达到平衡过程中的变化曲线。

（3）某科研机构，在t₁℃下，体积恒定的密闭容器中，用气体传感器测得了不同时间的NO和CO的浓度（具体数据见下表，CO₂和N₂的起始浓度为0）。

时间/s	0	1	2	3	4	5
c(NO)/xl0^-4 mol L^-1	10．0	4．50	2．50	1．50	1．00	1．00
c(CO)/xl0^-3 mol L^-1	3．60	3．05	2．85	2．75	2．70	2．70

t₁℃时该反应的平衡常数K=               ，平衡时NO的体积分数为            。

（4）若该反应在绝热、恒容的密闭体系中进行，下列示意图正确且能说明反应在进行到t₁时刻达到平衡状态的是       (填代号）。（下图中v_正、K、n、m分别表示正反应速率、平衡常数、物质的量和质量）

（5）煤燃烧产生的烟气也含氮的氧化物，用CH₄催化还原NO_X可以消除氮氧化物的污染。

已知：CH₄(g)+2NO₂(g) = N₂ (g)+CO₂ (g)+2H₂O(g)    △H=-867．0 kJ • mol^-1

2NO₂ (g) N₂O₄ (g)                    △H=-56．9 kJ • mol^-1

H₂O(g) = H₂O(l)                           △H=-44．0 kJ • mol^-1

写出CH₄催化还原N₂O₄ (g)生成N₂ (g)、CO₂ (g)和H₂O(l)的热化学方程式            。

Answer

（1）放热  0．025 mol/(L·s)  （各2分，共4分）

（2）见图（在T1S1下方，起点不变、终点在虚线后即可，合理均可）（2分）

（3）5000 L/mol  （2分）           2．41%    (2分)                 

（4）B D    （共2分，少选得1分，错选不得分）

（5）CH4(g)+N2O4(g)═N2(g)+CO2(g)+2H2O(g) D H═ —898．1kJ/mol （2分）

【解析】

试题分析：⑴依据“先拐先平，数值大”的原则，可知：T1＞T2，而在T1条件下可知，二氧化碳的含量反而低，可知，升高温度反应逆向移动，因此正向是放热的。化学反应速率等于单位时间内反应物或者生成物浓度的变化量，因此可以确定用二氧化碳表示的化学反应速率就为：0.050 mol/(L·s)，再依据化学反应速率之比等于化学计量数之比，可知；用氮气表示的化学反应速率就为：0.025 mol/(L·s)。⑵增大表面积，只是增大反应速率，并不影响二氧化碳的含量，因此，只是反应达到平衡的时间延长，并不影响二氧化碳的量。

⑶     2NO(g)   +    2CO(g)        2CO2       +          N2

起始浓度：10－3mol/L      3.6×10－3mol/L        0                   0

转化浓度：9.0×10－4mol/L 9.0×10－4mol/L      9.0×10－4mol/L    4.5×10－4mol/L

平衡浓度：10－4mol/L      2.7×10－3mol/L     9.0×10－4mol/L     4.5×10－4mol/L

因此平衡常数：

根椐，平衡时体积比等于物质的量之比，等于浓度之比，所以平衡时NO的体积分数为：

⑷A图中正反应速率反应开始后是减小的，错误；B图中表示的是化学平衡常数随时间的变化，因为是绝热的，而反应又是放热的，所以随着反应的进行，放出的热量散不出去，使反应逆向移动，使得平衡常数减小，但在某一个时刻达到平衡状态。正确；C图中在t1后各自的物质的量还在变化，则不是平衡状态，错误；D图中一氧化氮的质量在t1时刻质量不变，一定是一个平衡状态。正确。

⑸    ①CH4(g)+2NO2(g) = N2 (g)+CO2 (g)+2H2O(g)    △H=-867．0 kJ • mol-1

②2NO2 (g) N2O4 (g)                    △H=-56．9 kJ • mol-1

③H2O(g) = H2O(l)                           △H=-44．0 kJ • mol-1

①－②＋③×2：CH4(g)+N2O4(g)═N2(g)+CO2(g)+2H2O(g) D H═ —898．1kJ/mol

考点：考查化学平衡，热化学的有关知识。