Question

二氧化硫和氮氧化物（NOx）對大氣污染日趨嚴重，研究消除大氣污染的方法是化學工作者的重要課題，目前有很多種方法消除大氣污染．

（1）可利用甲烷催化還原NOx的方法處理NO_x，反應如下：
CH₄（g）+4NO₂（g）=4NO（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）；△H=-574kJ?mol^-1
CH₄（g）+4NO（g）=2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）；△H=-1160kJ?mol^-1
則CH₄（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）；△H=

-867 kJ/mol

；
（2）汽車尾氣中的主要污染物有CO、NOx、碳氫化合物等，降低汽車尾氣的方法之一是在排氣管上安裝催化轉化器，發生如下反應：
2NO（g）+2CO（g）?N₂（g）+2CO₂（g）；△H＜0．
生成無毒物質，減少汽車尾氣污染．若在一定溫度下，將2molNO、1molCO充入1L固定容積的容器中，15分鐘后達到平衡，反應過程中各物質的濃度變化如圖1所示，則
①前15s內的平均反應速率v （N₂）=

0.013 mol/（L?s）

（小數點保留3位）；
②該反應平衡常數K=

0.035

（小數點保留3位）；
③若保持溫度不變，20min時再向容器中充入CO、N₂各0.6mol，平衡將

不移動

移動（填“向左”、“向右”或“不”）；20min時，若改變反應條件，導致N₂濃度發生如圖1所示的變化，則改變的條件可能是

b

（填序號）；
a  加入催化劑　  b  降低溫度　  c  縮小容器體積　  d  增加CO₂的量
④該可逆反應△S

＜

0（填“＞”、“＜”或“=”），在

低溫

（填“高溫”、“低溫”或“任何溫度”）下能自發進行．
（3）CO分析儀以燃料電池為工作原理，其裝置如圖2所示，該電池中電解質為氧化釔-氧化鈉，其中O^2-可以在固體介質NASICON中自由移動．下列說法錯誤的是

B

A．負極的電極反應式為：CO+O^2--2e^-=CO₂
B．工作時電極b作正極，O^2-由電極a流向電極b
C．工作時電子由電極a通過傳感器流向電極b
D．傳感器中通過的電流越大，尾氣中CO的含量越高
（4）利用Fe²⁺、Fe³⁺的催化作用，常溫下將SO₂轉化為SO₄^2- 而實現對SO₂的處理目的．其中Fe³⁺的最外層電子排布式為

3s²3p⁶3d⁵

；SO₂的VSEPR模型名稱為

平面三角形

；與SO₂互為等電子體的離子有

NO₂^-

．
（5）N₂O₅是重要的硝化劑和氧化劑，可用電解法制備N₂O₅，如圖3所示，N₂O₅在電解池的

陽極

（填“陽極”或“陰極”）區生成，其電極反應式為

N₂O₄-2e^-+2HNO₃=2N₂O₅+2H⁺

．

Answer 1

分析：（1）依據熱化學方程式和蓋斯定律計算得到；
（2）①依據化學反應速率概念結合圖象分析單位時間內物質濃度的變化計算；
②依據圖象計算平衡狀態物質的濃度結合平衡常數計算平衡常數；
③依據濃度商和平衡常數比較分析判斷；
④依據△H-T△S＜0是自發進行的反應分析判斷；
（3）該裝置是原電池，負極上一氧化碳失電子發生氧化反應，正極上氧氣得電子發生還原反應，原電池放電時電子從負極流向正極，陰離子向負極移動，一氧化碳的含量越大，原電池放電時產生的電流越大；
（4）鐵是26號元素，其核外有26個電子，根據構造原理書寫其核外電子排布式得到Fe³⁺的最外層電子排布式；VSEPR模型為平面三角形中心原子的價層電子對數是3；等電子體是具有相同原子數和價電子數的分子或離子叫等電子體，等電子體具有相似的結構和性質；
（5）由N₂O₄制取N₂O₅需要失去電子，所以N₂O₅在陽極區生成．

解答：解：（1）①CH₄（g）+4NO₂（g）=4NO（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-574kJ?mol^-1；
②CH₄（g）+4NO（g）=2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-1160kJ?mol^-1；
依據蓋斯定律計算①+②得到：CH₄（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-867 kJ/mol；
故答案為：△H=-867 kJ/mol；
（2）①圖象分析，前15分鐘達到平衡時，氮氣濃度增大為0.2mol/L，所以前15s內的平均反應速率v （N₂）=

0.2mol/L

15min

=0.013 mol/（L?s），
故答案為：0.013 mol/（L?s）；
②依據圖象分析，15分鐘時達到平衡時氮氣濃度為0.2mol/L，NO平衡濃度為0.8mol/L，一氧化碳濃度為0.6mol/L，二氧化碳濃度為0.4mol/L，
2NO（g）+2CO（g）?N₂（g）+2CO₂（g）△H＜0；
平衡常數K=

c(N2)c2(CO2)

c2(CO)c2(NO)

=

0.2×0．42

0．62×0．82

=0.035，故答案為：0.035；
③若保持溫度不變，20min時再向容器中充入CO、N₂各0.6mol，濃度分別為c（NO）=1.6mol/L，c（CO）=0.6mol/L+0.6mol/L=1.2mol/L，c（N₂）=0.2mol/L+0.6mol/L=0.8mol/L，c（CO₂）=0.4mol/L；Qc=

c(N2)c2(CO2)

c2(CO)c2(NO)

=

0.8×0．42

1．22×1．62

=0.035=K，平衡不動，20min時，若改變反應條件，導致N₂濃度發生如圖1所示的變化，斜率減小反應速率減小，氮氣濃度增大，反應是氣體體積減小的放熱反應，則改變的條件可能是降溫，
故答案為：不移動；b；
④2NO（g）+2CO（g）?N₂（g）+2CO₂（g）；△H＜0．反應可知△S＜0；
依據△H-T△S＜0是自發進行的反應；△H＜0，△S＜0，滿足條件△H-T△S＜0，應該在低溫條件下進行可以自發進行，
故答案為：＜；低溫；
（3）A．該裝置是原電池，通入一氧化碳的電極a是負極，負極上一氧化碳失電子發生氧化反應，電極反應式為：CO+O^2--2e^-═CO₂，故A正確；
B．工作時電極b作正極，O^2-由電極b流向電極a，故B錯誤；
C．該裝置是原電池，通入一氧化碳的電極a是負極，通入空氣的電極是正極，原電池放電時，電子從負極a通過傳感器流向電極b，故C正確；
D．一氧化碳的含量越大，原電池放電時產生的電流越大，故D正確；
故答案為：B；
（4）鐵是26號元素，其核外有26個電子，失去三個電子后和鐵離子最外層電子排布式：3s²3p⁶3d⁵；SO₂中S原子的價層電子對為

6

2

=3，VSEPR模型為平面三角形；與SO₂互為等電子體的離子有 NO₂^-；
故答案為：3s²3p⁶3d⁵；平面三角形；NO₂^-；
（5）從電解原理來看，N₂O₄制備N₂O₅為氧化反應，則N₂O₅應在陽極區生成，反應式為N₂O₄+2HNO₃-2e^-=2N₂O₅+2H⁺，故答案為：陽極；N₂O₄-2e^-+2HNO₃=2N₂O₅+2H⁺．

點評：本題考查熱化學方程式和蓋斯定律的計算應用，化學平衡影響因素分析，平衡常數、速率的計算方法，平衡移動原理的應用，原電池、電解池原理分析應用，題目難度較大．