Question

3．汽車尾氣排放的一氧化碳、氮氧化物等氣體已成為大氣污染的主要來源．德國(guó)大眾汽車尾氣檢測(cè)造假事件引起全世界震驚．根據(jù)下列示意圖（如圖1）回答有關(guān)問題：

（1）汽車發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)會(huì)引發(fā)N₂（g）+O₂（g）=2NO（g）△H=+180kJ•mol^-1，其能量變化示意圖如下：

則NO中氮氧鍵的鍵能為632kJ•mol^-1．
（2）空燃比過小易產(chǎn)生CO．有人提出可以設(shè)計(jì)反應(yīng)2CO（g）=2C（s）+O₂（g）來消除CO的污染．判斷該設(shè)想是否可行，并說出理由不合理，該反應(yīng)焓增、熵減，任何條件下都不能自發(fā)進(jìn)行或該反應(yīng)△H＞0，△S＜0則△G＞0．
（3）利用活性炭涂層排氣管處理NO_x的反應(yīng)為：xC（s）+2NO_x（g）?N₂（g）+xCO₂ （g）△H=-b kJ•mol^-1．若使NO_x更加有效的轉(zhuǎn)化為無毒尾氣排放，以下措施理論上可行的是AD．
A．增加排氣管長(zhǎng)度      B．增大尾氣排放口
C．升高排氣管溫度      D．添加合適的催化劑
（4）催化裝置中涉及的反應(yīng)之一為：2NO（g）+2CO（g）?N₂（g）+2CO₂（g）．

①探究上述反應(yīng)中NO的平衡轉(zhuǎn)化率與壓強(qiáng)、溫度的關(guān)系，得到圖2所示的曲線．催化裝置比較適合的溫度和壓強(qiáng)是400K，1MPa．
②測(cè)試某型號(hào)汽車在冷啟動(dòng)（冷啟動(dòng)指發(fā)動(dòng)機(jī)水溫低的情況下啟動(dòng)）時(shí)催化裝置內(nèi)CO和NO百分含量隨時(shí)間變化曲線如圖3所示．則前10s 內(nèi)，CO和NO百分含量沒明顯變化的原因是尚未達(dá)到催化劑工作溫度（或尚未達(dá)到反應(yīng)的溫度）．
③研究表明：在使用等質(zhì)量催化劑時(shí)，增大催化劑比表面積可提高化學(xué)反應(yīng)速率．為了分別驗(yàn)證溫度、催化劑比表面積對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響規(guī)律，某同學(xué)設(shè)計(jì)了以下三組實(shí)驗(yàn)：

實(shí)驗(yàn)編號(hào)	T（K）	NO初始濃度 （mol•L-1）	CO初始濃度 （mol•L-1）	催化劑的比表面積（m2/g）
Ⅰ	400	1.00×10-3	3.60×10-3	82
Ⅱ	400	1.00×10-3	3.60×10-3	124
Ⅲ	450	1.00×10-3	3.60×10-3	124

根據(jù)坐標(biāo)圖4，計(jì)算400K時(shí)該反應(yīng)的平衡常數(shù)為5000L•mol^-1；并在圖中畫出上表中的實(shí)驗(yàn)Ⅱ、Ⅲ條件下混合氣體中NO濃度隨時(shí)間變化的趨勢(shì)曲線圖（標(biāo)明各條曲線的實(shí)驗(yàn)編號(hào)）．

Answer 1

分析 （1）△H=反應(yīng)物的鍵能總和-生成物的鍵能總和；
（2）根據(jù)△H-T△H＜0來判斷反應(yīng)的自發(fā)性；
（3）A．增加排氣管長(zhǎng)度，增大了相當(dāng)于增大了固體的接觸面積，加快了化學(xué)反應(yīng)速率，對(duì)平衡無影響；
B．增大尾氣排放口，對(duì)反應(yīng)速率和平衡不產(chǎn)生影響；
C．升高排氣管溫度，溫度升高，平衡左移，不利于NO_x轉(zhuǎn)化；
D．添加合適的催化劑，加快化學(xué)反應(yīng)速率，對(duì)平衡無影響；
（4）①綜合考慮NO的轉(zhuǎn)化率和成本；
②汽車?yán)鋯��?dòng)時(shí)的尾氣催化處理CO、NO百分含量隨時(shí)間變化曲線變化分析，開始的氣體含量變化不大，說明溫度低，催化劑的作用未起作用；
③結(jié)合表格中的濃度，利用三段法列出400K時(shí)平衡濃度，帶入平衡常數(shù)表達(dá)式計(jì)算；根據(jù)外界條件對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡的影響判斷．

解答 解：（1）設(shè)NO中氮氧鍵的鍵能為x，
△H=反應(yīng)物的鍵能總和-生成物的鍵能總和=（946+498）kJ•mol^-1-2×x=180kJ•mol^-1，解得x=632 kJ•mol^-1，
故答案為：632；
（2）2CO（g）=2C（s）+O₂（g）（△H＞0、△S＜0）是一個(gè)焓增、熵減的反應(yīng)，任何情況下不能自發(fā)進(jìn)行，所以無法消除CO的污染，
故答案為：不合理，該反應(yīng)焓增、熵減，任何條件下都不能自發(fā)進(jìn)行或該反應(yīng)△H＞0，△S＜0則△G＞0；
（3）xC（s）+2NO_x（g）?N₂（g）+xCO₂ （g）△H=-b kJ•mol^-1．此反應(yīng)為放熱反應(yīng)，
A．增加排氣管長(zhǎng)度，增大了相當(dāng)于增大了固體的接觸面積，加快了化學(xué)反應(yīng)速率，故A正確；
B．增大尾氣排放口，對(duì)反應(yīng)速率和平衡不產(chǎn)生影響，故B錯(cuò)誤；
C．升高排氣管溫度，溫度升高，平衡左移，不利于NO_x轉(zhuǎn)化，故C錯(cuò)誤；
D．添加合適的催化劑，加快化學(xué)反應(yīng)速率，故D正確；
故答案為：AD；
（4）①由圖2可知，等壓條件下，溫度越低，NO的轉(zhuǎn)化率越高，因此溫度選400K，同溫下，NO的轉(zhuǎn)化率隨著溫度的升高變化不大，所以選用較為經(jīng)濟(jì)的1MPa，
故答案為：400K，1MPa：
②汽車?yán)鋯��?dòng)時(shí)的尾氣催化處理CO、NO百分含量隨時(shí)間變化曲線變化分析，開始的氣體含量變化不大，說明溫度低，催化劑的作用未起作用；證明反應(yīng)未達(dá)到催化劑工作溫度（或尚未達(dá)到反應(yīng)的溫度）；
故答案為：尚未達(dá)到催化劑工作溫度（或尚未達(dá)到反應(yīng)的溫度）；
③設(shè)400K達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，則
                        2NO（g）+2CO（g）?N₂（g）+2CO₂（g）．
初始濃度（10^-3mol•L^-1）：1      3.60      0         0
轉(zhuǎn)化濃度（10^-3mol•L^-1）：0.9     0.9      0.45      0.9
平衡濃度（10^-3mol•L^-1）：0.1     2.7      0.45      0.9
K=$\frac{0.45×1{0}^{-3}mol•{L}^{-1}×（0.9×1{0}^{-3}mol•{L}^{-1}）^{2}}{（2.7×1{0}^{-3}mol•{L}^{-1}）^{2}×（0.1×1{0}^{-3}mol•{L}^{-1}）^{2}}$=5000L•mol^-1，
因Ⅰ、Ⅱ溫度相同，初始濃度相等，催化劑對(duì)平衡移動(dòng)無影響，則平衡不移動(dòng)，但Ⅱ的速率大，則Ⅱ先達(dá)到化學(xué)平衡，Ⅰ、Ⅱ達(dá)平衡時(shí)NO的濃度相同，而Ⅲ的溫度高，則反應(yīng)速率最大且平衡逆移，即達(dá)到化學(xué)平衡時(shí)c（NO）增大，實(shí)驗(yàn)Ⅱ、Ⅲ條件下混合氣體中NO濃度隨時(shí)間變化的趨勢(shì)曲線圖為，
故答案為：5000L•mol^-1；．

點(diǎn)評(píng) 本題考查較為綜合，涉及反應(yīng)熱的計(jì)算、反應(yīng)自發(fā)性的判斷、化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡的影響因素與圖象的關(guān)系、平衡常數(shù)的計(jì)算等知識(shí)，為高頻考點(diǎn)，其中（4）③是難點(diǎn)，把握控制變量法分析反應(yīng)速率的影響因素及圖象為解答的關(guān)鍵，題目難度較大．