Question

汽车尾气中的NO_x是大气污染物之一，科学家们在尝试用更科学的方法将NO_x转化成无毒物质，从而减少汽车尾气污染。
（1）压缩天然气（CNG）汽车的优点之一是利用催化技术能够将NO_x转变成无毒的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）在恒压下，将CH₄(g)和NO₂(g)置于密闭容器中发生化学反应③，在不同温度、不同投料比时，NO₂的平衡转化率见下表：

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

 
①写出该反应平衡常数的表达式K=         。
②若温度不变，提高[n(NO₂) / n(CH₄)]投料比，则K将         。（填“增大”、“减小”或“不变”。）
③400 K时，将投料比为1的NO₂和CH₄的混合气体共0.04 mol，充入一装有催化剂的容器中，充分反应后，平衡时NO₂的体积分数        。
（3）连续自动监测氮氧化物（NO_x）的仪器动态库仑仪的工作原理示意图如图1

图1                                    图2
①NiO电极上NO发生的电极反应式：                                。
②收集某汽车尾气经测量NO_x的含量为1.12%（体积分数），若用甲烷将其完全转化为无害气体，处理1×10⁴L（标准状况下）该尾气需要甲烷30g，则尾气中V(NO)︰V(NO₂)=   
（4）在容积相同的两个密闭容器内 (装有等量的某种催化剂) 先各通入等量的CH₄，然后再分别充入等量的NO和NO₂。在不同温度下，同时分别发生②③两个反应：并在t秒时测定其中NO_x转化率，绘得图象如图2所示：
①从图中可以得出的结论是
结论一：相同温度下NO转化效率比NO₂的低
结论二：在250℃-450℃时，NO_x转化率随温度升高而增大，450℃-600℃时NO_x转化率随温度升高而减小
结论二的原因是                                                    
②在上述NO₂和CH₄反应中，提高NO₂转化率的措施有_________。(填编号)
A．改用高效催化剂     B．降低温度     C.分离出H₂O(g)       D．增大压强
E．增加原催化剂的表面积   F．减小投料比[n(NO₂) / n(CH₄)]

Answer 1

（1）  （1分）
（2）①  （1分）    不变  （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℃时，反应未达到平衡，反应还在正向进行。 （1分）
450℃-600℃时，反应已达平衡，所以，温度升高平衡逆向移动，NO_x转化率随温度升高而减小。（其他合理答案也给分）  （1分）
② BCF        （2分）

试题分析：（1）即为目标方程式③，所以，
（2）① 该反应的平衡常数的表达式
② 平衡常数K不受浓度和压强的影响，只受温度的影响，温度不变K不变。
③ 400 K时，将投料比为1的NO₂和CH₄的混合气体共0.04 mol，充入一装有催化剂的容器中，充分反应后，平衡时NO₂的体积分数为：
CH₄(g) ＋  2NO₂(g)  N₂(g) ＋ CO₂(g) ＋ 2H₂O(g)
n始     0.02        0.02          0        0          0
n转    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
平衡时NO₂的体积分数=
（3）连续自动监测氮氧化物（NO_x）的仪器动态库仑仪实际上就是应用原电池原理，从图1可知Pt电极（通入O₂的一极）为电池的正极，NiO电极（通入NO的一极）为电池的负极，O^{2 –}可以通过固体电解质移向负极。所以，
① NiO电极上NO发生的电极反应式：NO+ O^{2 -}-2e^- = NO₂。
②1×10⁴L（标准状况下）尾气中含NO_x的体积为：1×10⁴L×1.12% = 112L，
NO_x的物质的量为：。
设NO和NO₂的物质的量分别为x、y mol，根据反应化学方程式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)
则： x+y = 5；4(x+y)+ 4y = 30
解得：x ="2.5" mol   =" 2.5" mol
所以，尾气中V(NO)︰V(NO₂) =" 1" ︰ 1 。
（4）①从图2 变化曲线分析，结论二的原因是：在250℃-450℃时，反应未达到平衡，反应还在正向进行；故NO_x转化率随温度升高而增大；在在450℃-600℃时反应已达到平衡状态，因为该反应是放热反应，此时温度升高平衡逆向移动，故 NO_x转化率随温度升高而减小。
② 由上述NO₂和CH₄反应的化学方程式的特点分析可知: 该反应是放热反应；该反应是扩大气体体积的反应。所以要提高NO₂转化率，可降低温度，降低温度能使平衡正向移动，从而提高NO₂转化率；分离出H₂O，相当于减小生成物的浓度，使平衡正向移动，从而提高NO₂转化率；减小投料比[n(NO₂) / n(CH₄)]，相当于增加反应物CH₄的浓度，使平衡正向移动，从而增大NO₂转化率。而使用催化剂只能改变反应速率，不影响平衡移动，故NO₂转化率不会变化。增大压强，平衡逆移，NO₂转化率会减小。因此选B C F。