Question

汽车尾气已成为重要的空气污染物．

（1）汽车内燃机工作时引起反应：N₂（g）+O₂（g）=2NO（g），是导致汽车尾气中含有NO的原因之一．T℃时，向5L密闭容器中充入8mol N₂和9molO₂，5min后达平衡时NO 物质的量为6mol，该反应的速率v（NO）为

 

；该条件下的平衡常数数值为

 

（2）H₂或CO可以催化还原NO以达到消除污染的目的：
①已知：N₂（g）+O₂（g）=2NO（g）△H=+180.5kJ/mol2H₂（g）+O₂（g）=2H₂O（l）△H=-571.6kJ/mol
则H₂（g）与NO（g）反应生成N₂（g）和H₂O（l）的热化学方程式为

 

．
②当质量一定时，增大固体催化剂的表面积可提高化学反应速率．如图1是反应：
2NO（g）+2CO（g）=2CO₂（g）+N₂（g）中NO的浓度随温度（T）、催化剂表面积（S）和时间（t）的变化曲线，据此判断该反应的△H

 

 0 （填“＞”、“＜”或“无法确定”）．若催化剂的表面积增大至S₂，则反应在T₁、S₂条件下达到平衡时NO的浓度

 

（填“增大”、“减小”或“不变”）
（3）人工肾脏可用间接电化学方法除去代谢产物中的尿素（CO（NH₂）₂），即通过阳极反应生成具有强氧化作用的中间产物来氧化代谢产物，原理如图2：
①电源的负极为

 

 （填“A”或“B”）．
②阳极室中发生的反应为

 

③电解结束后，阴极室溶液的pH与电解前相比将

 

；若两极共收集到气体13.44L（标准状况），则除去的尿素为

 

 g（忽略气体的溶解）．
（4）将不同量的CO（g）和H₂O（g）分别通入到体积为2L的恒容密闭容器中，进行反应CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g），得到如下三组数据：

实验组	温度℃	起始量/mol		平衡量/mol		达到平衡所需 时间/min
		CO	H2O	H2	CO
1	650	4	2	1.6	2.4	6
2	900	2	1	0.4	1.6	3
3	900	a	b	c	d	t

①实验2条件下平衡常数K=

 

．
②实验3中，若平衡时，CO的转化率大于水蒸气的转化率，则

a

b

的值

 

（填具体值或取值范围）．
③实验4，若900℃时，在此容器中加入CO、H₂O、CO₂、H₂均为1mol，则此时V_正

 

V_逆（填“＜”，“＞”，“=”）．

Answer 1

分析：（1）结合方程式N₂（g）+O₂（g）2NO（g），利用平衡三部曲求出，各物质的物质的量，再利用反应速率公式计算；
根据平衡常数等于生成物的浓度幂之积除以反应物的浓度幂之积；
（2）①根据已知热化学方程式，利用盖斯定律书写目标热化学方程式；
②根据到达平衡的时间，判断温度高低，再根据不同温度下到达平衡时NO的浓度高低，判断温度对平衡的影响，据此判断反应热效应；
催化剂不影响平衡移动，平衡时NO的浓度不变，
（3）①根据电解池中阴离子在阳极放电和阳离子在阴极放电的规律，结合本题图中的电极产物CO₂和N₂可以判断出A为电源的正极，B为电源的负极；
②由图可知，阳极室首先是氯离子放电生成氯气，氯气再氧化尿素生成氮气、二氧化碳，同时会生成HCl；
③阴极反应为：6H₂O+6e^-═6OH^-+3H₂↑，阳极反应为：6Cl^--6e^-═3Cl₂↑，CO（NH₂）₂+3Cl₂+H₂O═N₂+CO₂+6HCl，根据上述反应式可以看出在阴、阳极上产生的OH^-、H⁺的数目相等，阳极室中反应产生的H⁺通过质子交换膜进入阴极室与OH^-恰好反应生成水，所以阴极室中电解前后溶液的pH不变；
根据n=

V

Vm

计算两极产生的气体的物质的量，利用气体中各组分的比例关系，计算n（N₂）=n（CO₂），再根据方程式计算尿素的物质的量，根据m=nM计算尿素的质量；
（4）①依据图表数据列式计算平衡浓度，结合化学平衡常数概念计算；
②由于CO与H₂的化学计量数相等都为1，所以当两者物质的量相等时二者转化率相等．要使CO转化率大于H₂的转化率，则增大H₂的物质的量；
③对同一反应温度相同，平衡常数相同．根据表中实验2计算900℃时平衡常数，再计算实验3浓度商，与平衡常数相比判断平衡移动．

解答：解：（1）N₂（g）+O₂（g）  2NO（g），
起始（mol）      8       9              0
反应（mol）      3       3              6
平衡（mol）      5       6              6
v（NO）=

6mol 5L

5min

=0.24mol/（L?min），平衡时：c（NO）=

6mol

5L

=1.2mol/L，c（N₂）=

5mol

5L

=1mol/L，c（O₂）=

6mol

5L

=1.2mol/L，K=

c2(NO)

c(N2)×c(O2)

=

1.2×1.2

1×1.2

=1.2，
故答案为：0.24mol/（L?min）；1.2；
（2）①已知：①N₂（g）+O₂（g）=2NO（g）△H=+180.5kJ/mol2H₂，
            ②2H₂O（l）═2H₂（g）+O₂（g）△H=+571.6kJ?mol^-1，
根据盖斯定律，-①-②得：2H₂（g）+2NO（g）═N₂（g）+2H₂O（l）△H=-752.1 kJ?mol^-1，
故答案为：2H₂（g）+2NO（g）═N₂（g）+2H₂O（l）△H=-752.1 kJ?mol^-1；
②温度T₂到达平衡的时间短，反应速率快，故温度T₂＞T₁，温度越高，平衡时NO的浓度越高，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；
催化剂不影响平衡移动，平衡时NO的浓度不变，
故答案为：＜；不变；
（3）①由图可知，左室电极产物为CO₂和N₂，发生氧化反应，故A为电源的正极，右室电解产物H₂，发生还原反应，故B为电源的负极，
故答案为：B；
②由图可知，阳极室首先是氯离子放电生成氯气，氯气再氧化尿素生成氮气、二氧化碳，同时会生成HCl，阳极室中发生的反应依次为：2Cl^--2e^-═Cl₂↑，
CO（NH₂）₂+3Cl₂+H₂O═N₂+CO₂+6HCl，
故答案为：2Cl^--2e^-=Cl₂↑，CO（NH₂）₂+3Cl₂+H₂O=N₂+CO₂+6HCl；
③阴极反应为6H₂O+6e^-═6OH^-+3H₂↑，阳极反应为6Cl^--6e^-═3Cl₂↑，CO（NH₂）₂+3Cl₂+H₂O═N₂+CO₂+6HCl
根据上述反应式可以看出在阴、阳极上产生的OH^-、H⁺的数目相等，阳极室中反应产生的H⁺通过质子交换膜进入阴极室与OH^-恰好反应生成水，所以阴极室中电解前后溶液的pH不变；
电解收集到的13.44 L气体，物质的量为

13.44

22.4

=0.6mol，由反应CO（NH₂）₂+3Cl₂+H₂O=N₂+CO₂+6HCl可知n（N₂）=n（CO₂）=0.6mol×0.2=0.12mol，可知生成0.12mol N₂所消耗的CO（NH₂）₂的物质的量也为0.12mol，其质量为：m[CO（NH₂）₂]=0.12 mol×60 g?mol^-1=7.2 g，
故答案为：不变；7.2；
（4）①H₂O（g）+CO（g）?CO₂（g）+H₂（g）
初始浓度   0.5mol/L   1mol/L     0        0
转化浓度   0.2mol/L   0.2mol/L  0.2mol/L  0.2mol/L
平衡浓度   0.3mol/L   0.8mol/L  0.2mol/L  0.2mol/L 
K=

c(CO2)c(H2)

c(H2O)c(CO)

=

0.2×0.2

0.3×0.8

=0.17
故答案为：0.17；
②由于CO与H₂的化学计量数相等都为1，所以当两者物质的量相等时二者转化率相等．要使CO转化率大于H₂的转化率，则增大H₂的物质的量，即a/b 的值＜1，
故答案为：＜1；
③对同一反应温度相同，平衡常数相同．根据表中实验2计算900℃时平衡常数，
   对于反应   CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g），
开始（mol）：2       1        0       0
变化（mol）：0.4     0.4      0.4     0.4
平衡（mol）：1.6     0.6      0.4     0.4
900℃时平衡常数k=

c(H2)?c(CO2)

c(CO)?c(H2O)

=

0.4×0.4

1.6×0.6

=

1

6

，
实验3的浓度商为Qc=

5×2

10×5

=

1

5

，大于平衡常数，反应向逆反应进行，所以V_正＜V_逆，
故答案为：＜．

点评：本题主要考查化学反应速率和平衡常数的计算、影响化学平衡的因素、化学平衡图象、电极反应式的书写与有关计算、以及热化学方程式的书写等，题量巨大．相当于4个题目的一个综合．