Question

汽車尾氣中的NO_x是大氣污染物之一，科學家們在嘗試用更科學的方法將NO_x轉化成無毒物質，從而減少汽車尾氣污染。
（1）壓縮天然氣（CNG）汽車的優點之一是利用催化技術能夠將NO_x轉變成無毒的CO₂和N₂。
①CH₄(g)＋4NO₂(g) 4NO(g)＋CO₂(g)＋2H₂O(g)  △H₁＜0
②CH₄(g)＋4NO(g)2N₂(g)＋CO₂(g)＋2H₂O(g)    △H₂＜0
③CH₄(g) ＋2NO₂(g)N₂(g) ＋CO₂(g) ＋2H₂O(g) △H₃＝         。（用△H₁和△H₂表示）
（2）在恒壓下，將CH₄(g)和NO₂(g)置于密閉容器中發生化學反應③，在不同溫度、不同投料比時，NO₂的平衡轉化率見下表：

投料比[n(NO2) / n(CH4)]	400 K	500 K	600 K
1	60%	43%	28%
2	45%	33%	20%

 
①寫出該反應平衡常數的表達式K=         。
②若溫度不變，提高[n(NO₂) / n(CH₄)]投料比，則K將         。（填“增大”、“減小”或“不變”。）
③400 K時，將投料比為1的NO₂和CH₄的混合氣體共0.04 mol，充入一裝有催化劑的容器中，充分反應后，平衡時NO₂的體積分數        。
（3）連續自動監測氮氧化物（NO_x）的儀器動態庫侖儀的工作原理示意圖如圖1

圖1                                    圖2
①NiO電極上NO發生的電極反應式：                                。
②收集某汽車尾氣經測量NO_x的含量為1.12%（體積分數），若用甲烷將其完全轉化為無害氣體，處理1×10⁴L（標準狀況下）該尾氣需要甲烷30g，則尾氣中V(NO)︰V(NO₂)=   
（4）在容積相同的兩個密閉容器內 (裝有等量的某種催化劑) 先各通入等量的CH₄，然后再分別充入等量的NO和NO₂。在不同溫度下，同時分別發生②③兩個反應：并在t秒時測定其中NO_x轉化率，繪得圖象如圖2所示：
①從圖中可以得出的結論是
結論一：相同溫度下NO轉化效率比NO₂的低
結論二：在250℃-450℃時，NO_x轉化率隨溫度升高而增大，450℃-600℃時NO_x轉化率隨溫度升高而減小
結論二的原因是                                                    
②在上述NO₂和CH₄反應中，提高NO₂轉化率的措施有_________。(填編號)
A．改用高效催化劑     B．降低溫度     C.分離出H₂O(g)       D．增大壓強
E．增加原催化劑的表面積   F．減小投料比[n(NO₂) / n(CH₄)]

Answer 1

（1）  （1分）
（2）①  （1分）    不變  （2分）
② 17.4%       （2分）
（3）① NO+ O^{2 -}-2e^- = NO₂ （2分）
② 1 : 1                  （2分）
（4）① 原因是：在250℃-450℃時，反應未達到平衡，反應還在正向進行。 （1分）
450℃-600℃時，反應已達平衡，所以，溫度升高平衡逆向移動，NO_x轉化率隨溫度升高而減小。（其他合理答案也給分）  （1分）
② BCF        （2分）

試題分析：（1）即為目標方程式③，所以，
（2）① 該反應的平衡常數的表達式
② 平衡常數K不受濃度和壓強的影響，只受溫度的影響，溫度不變K不變。
③ 400 K時，將投料比為1的NO₂和CH₄的混合氣體共0.04 mol，充入一裝有催化劑的容器中，充分反應后，平衡時NO₂的體積分數為：
CH₄(g) ＋  2NO₂(g)  N₂(g) ＋ CO₂(g) ＋ 2H₂O(g)
n始     0.02        0.02          0        0          0
n轉    0.006  0.02×0.6=0.012   0.006    0.006      0.012
n平    0.014       0.008        0.006    0.006      0.012
0.014 + 0.008 + 0.006 + 0.006 + 0.012 = 0.046
平衡時NO₂的體積分數=
（3）連續自動監測氮氧化物（NO_x）的儀器動態庫侖儀實際上就是應用原電池原理，從圖1可知Pt電極（通入O₂的一極）為電池的正極，NiO電極（通入NO的一極）為電池的負極，O^{2 –}可以通過固體電解質移向負極。所以，
① NiO電極上NO發生的電極反應式：NO+ O^{2 -}-2e^- = NO₂。
②1×10⁴L（標準狀況下）尾氣中含NO_x的體積為：1×10⁴L×1.12% = 112L，
NO_x的物質的量為：。
設NO和NO₂的物質的量分別為x、y mol，根據反應化學方程式①和②：
① CH₄(g) ＋ 4NO₂(g)4NO(g) ＋ CO₂(g)＋2H₂O(g)    
16g        4                4
m ₁            y                y      m ₁ = 4y
② CH₄(g) ＋ 4NO(g)2N₂(g) ＋ CO₂(g)＋2H₂O(g)  
16g        4        
m ₂       (x+y)                     m ₂ = 4(x+y)
則： x+y = 5；4(x+y)+ 4y = 30
解得：x ="2.5" mol   =" 2.5" mol
所以，尾氣中V(NO)︰V(NO₂) =" 1" ︰ 1 。
（4）①從圖2 變化曲線分析，結論二的原因是：在250℃-450℃時，反應未達到平衡，反應還在正向進行；故NO_x轉化率隨溫度升高而增大；在在450℃-600℃時反應已達到平衡狀態，因為該反應是放熱反應，此時溫度升高平衡逆向移動，故 NO_x轉化率隨溫度升高而減小。
② 由上述NO₂和CH₄反應的化學方程式的特點分析可知: 該反應是放熱反應；該反應是擴大氣體體積的反應。所以要提高NO₂轉化率，可降低溫度，降低溫度能使平衡正向移動，從而提高NO₂轉化率；分離出H₂O，相當于減小生成物的濃度，使平衡正向移動，從而提高NO₂轉化率；減小投料比[n(NO₂) / n(CH₄)]，相當于增加反應物CH₄的濃度，使平衡正向移動，從而增大NO₂轉化率。而使用催化劑只能改變反應速率，不影響平衡移動，故NO₂轉化率不會變化。增大壓強，平衡逆移，NO₂轉化率會減小。因此選B C F。