Question

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）、催化剂的表面积（S）和时间（t）的变化曲线，如下图所示。据此判断：

①该反应的△H_______0（填“＞”或“＜”），△S_______0（填“＞”或“＜”）。

②在T₁温度下，0~2s内的平均反应速率v(N₂)=__________。

③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。若增大催化剂的表面积，则CO转化率____（填“增大”、“减少”或“不变”）。

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__________（填字母）。

（2）直接排放煤燃烧产生的烟气会引起严重的环境问题。

①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。

例如：CH₄(g)+2NO₂(g)=N₂(g)+CO₂(g)+2H₂O(g)  △H=－867.0kJ·mol^－1

2NO₂(g)N₂O₄(g)        △H=－56.9kJ·mol^－1

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

②将燃煤产生的二氧化碳回收利用，可达到低碳排放的目的。下图是通过人工光合作用，以CO₂和H₂O为原料制备HCOOH和O₂的原理示意图。电极a、b表面发生的电极反应式分别为

a：______________b：___________

Answer

＜ ＜ 0.05mol·L－1·s－1 不变 b d CH4(g)+N2O4(g)=N2(g)+2H2O(g)+CO2(g) △H=－810.1kJ·mol－1 2H2O－4e－=O2↑+4H+ 2CO2+4e－+4H+=2HCOOH

【解析】(1)①由图1可知，温度T1先到达平衡，故温度T1＞T2，温度越高平衡时，二氧化碳的浓度越低，说明升高温度平衡向逆反应移动，故正反应为放热反应，即△H＜0，根据2NO(g)+2CO(g)2CO2(g)+N2(g)可知，△S＜0，故答案为：＜；＜；

②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0.2mol/L，故v(CO2)==0.1mol/(L•s)，速率之比等于化学计量数之比，故v(N2)=v(CO2)=×0.1mol/(L•s)=0.05mol/(L•s)，故答案为：0.05mol/(L•s)；

③接触面积越大反应速率越快，到达平衡的时间越短，但催化剂不影响平衡移动，则CO转化率不变，故答案为：不变；

④a、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，为最小，图象与实际符合，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已知：Ⅰ、CH4(g)+2NO2(g)═N2(g)+CO2(g)+2H2O(g)△H1=-867kJ/mol，Ⅱ、2NO2(g)N2O4(g)△H2=-56.9kJ/mol，根据盖斯定律，Ⅰ-Ⅱ得CH4(g)+N2O4(g)=N2(g)+CO2(g)+2H2O(g)，故△H=-867kJ/mol-(-56.9kJ/mol)=-810.1kJ/mol，即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；

②由图可知，左室通入水，生成氧气与氢离子，电极a表面发生氧化反应，为负极，电极反应式为2H2O-4e-═O2↑+4H+，右室通入二氧化碳，酸性条件下生成HCOOH，电极b表面发生还原反应，为正极，电极反应式为2CO2+4e-+4H+═2HCOOH，故答案为：2H2O-4e-═O2↑+4H+；CO2+2H++2e-=HCOOH。