Question

2013年初，全國各地多個城市都遭遇“十面霾伏”，造成“陰霾天”的主要根源之一是汽車尾氣和燃煤尾氣排放出來的固體小顆粒。
汽車尾氣凈化的主要原理為：2NO(g)+2CO(g)2CO₂+N₂。在密閉容器中發生該反應時，c(CO₂)隨溫度(T)、催化劑的表面積(S)和時間(t)的變化曲線如下圖所示。據此判斷：

（1）該反應為       反應(填“放熱”或“吸熱”）：在T₂溫度下，0~2s內的平均反應速率：v(N₂)=         ；（2）當固體催化劑的質量一定時，增大其表面積可提高化學反應速率。若催化劑的表面積S₁>S₂，在答題卡上畫出 c(CO₂)在T₁、S₂條件下達到平衡過程中的變化曲線。
（3）某科研機構，在t₁℃下，體積恒定的密閉容器中，用氣體傳感器測得了不同時間的NO和CO的濃度（具體數據見下表，CO₂和N₂的起始濃度為0）。

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

 
t₁℃時該反應的平衡常數K=              ，平衡時NO的體積分數為           。
（4）若該反應在絕熱、恒容的密閉體系中進行，下列示意圖正確且能說明反應在進行到t₁時刻達到平衡狀態的是      (填代號）。（下圖中v_正、K、n、m分別表示正反應速率、平衡常數、物質的量和質量）

（5）煤燃燒產生的煙氣也含氮的氧化物，用CH₄催化還原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=-867．0kJ ? mol^-1
2NO₂ (g) N₂O₄ (g)                   △H=-56．9kJ ? mol^-1
H₂O(g) = H₂O(l)                          △H=-44．0kJ ? mol^-1
寫出CH₄催化還原N₂O₄ (g)生成N₂ (g)、CO₂ (g)和H₂O(l)的熱化學方程式           。

Answer 1

（1）放熱  0．025 mol/(L·s) （各2分，共4分）
（2）見圖（在T₁S₁下方，起點不變、終點在虛線后即可，合理均可）（2分）
               
（3）5000 L/mol （2分）           2．41%    (2分)                 
（4）B D   （共2分，少選得1分，錯選不得分）
（5）CH₄(g)+N₂O₄(g)═N₂(g)+CO₂(g)+2H₂O(g) D H═ —898．1kJ/mol （2分）

解析試題分析：⑴依據“先拐先平，數值大”的原則，可知：T₁＞T₂，而在T1條件下可知，二氧化碳的含量反而低，可知，升高溫度反應逆向移動，因此正向是放熱的。化學反應速率等于單位時間內反應物或者生成物濃度的變化量，因此可以確定用二氧化碳表示的化學反應速率就為：0.050 mol/(L·s)，再依據化學反應速率之比等于化學計量數之比，可知；用氮氣表示的化學反應速率就為：0.025 mol/(L·s)。⑵增大表面積，只是增大反應速率，并不影響二氧化碳的含量，因此，只是反應達到平衡的時間延長，并不影響二氧化碳的量。
⑶    2NO(g)   +    2CO(g)       2CO₂      +         N₂
起始濃度：10^－3mol/L      3.6×10^－3mol/L        0                  0
轉化濃度：9.0×10^－4mol/L 9.0×10^－4mol/L      9.0×10^－4mol/L    4.5×10^－4mol/L
平衡濃度：10^－4mol/L      2.7×10^－3mol/L     9.0×10^－4mol/L     4.5×10^－4mol/L
因此平衡常數：
根椐，平衡時體積比等于物質的量之比，等于濃度之比，所以平衡時NO的體積分數為：

⑷A圖中正反應速率反應開始后是減小的，錯誤；B圖中表示的是化學平衡常數隨時間的變化，因為是絕熱的，而反應又是放熱的，所以隨著反應的進行，放出的熱量散不出去，使反應逆向移動，使得平衡常數減小，但在某一個時刻達到平衡狀態。正確；C圖中在t1后各自的物質的量還在變化，則不是平衡狀態，錯誤；D圖中一氧化氮的質量在t1時刻質量不變，一定是一個平衡狀態。正確。
⑸   ①CH₄(g)+2NO₂(g) = N₂ (g)+CO₂ (g)+2H₂O(g)   △H=-867．0kJ ? mol^-1
②2NO₂ (g) N₂O₄ (g)                   △H=-56．9kJ ? mol^-1
③H₂O(g) = H₂O(l)                          △H=-44．0kJ ? mol^-1
①－②＋③×2：CH₄(g)+N₂O₄(g)═N₂(g)+CO₂(g)+2H₂O(g) D H═ —898．1kJ/mol
考點：考查化學平衡，熱化學的有關知識。