Question

【題目】近年來，汽車尾氣催化凈化成為極其重要的環(huán)保產(chǎn)業(yè)。請回答下列問題：

I.治理汽車尾氣中NO和CO的一種方法是在汽車的排氣管道上安裝一個催化轉(zhuǎn)化裝置。發(fā)生反應(yīng)：2NO(g)+2CO(g)N2(g)+2CO2(g)。

(1)實際測試某汽車冷啟動時的尾氣催化處理CO、NO百分含量隨時間變化曲線如圖一，0~10 s階段，CO、NO百分含量沒有明顯變化的原因是______；

(2)在密閉容器中充入10 mol CO和8 mol NO發(fā)生反應(yīng)，測得平衡時NO的體積分數(shù)與溫度、壓強的關(guān)系如圖二。

①已知T2>T1，則反應(yīng)2NO(g)+2CO(g)N2(g)+2CO2(g)，△H___0（填“>”、“=”或“<”）。

②為同時提高反應(yīng)速率和NO的平衡轉(zhuǎn)化率，可采取的措施有______(填字母序號)。

a.改用高效催化劑 b.縮小容器的體積

c.增加CO的濃度 d.升高溫度

③壓強為10MPa、溫度為T1下，該溫度下用分壓表示的平衡常數(shù)Kp=___MPa-1（分壓=總壓×物質(zhì)的量分數(shù)）。

II.汽車尾氣中CO與N2O會發(fā)生反應(yīng)：N2O(g)+CO(g)CO2(g)+N2(g) ΔH。幾種物質(zhì)的相對能量如下：

物質(zhì)	N2O(g)	CO(g)	CO2(g)	N2(g)
相對能量/ kJ/mol	475.5	283	0	393.5

(3)ΔH=___kJ/mol。

(4)實驗室用Fe+作催化劑，以N2O和CO投入比為1：1模擬上述反應(yīng)，其總反應(yīng)分兩步進行：

第一步：Fe++N2OFeO++N2；

第二步：___（寫反應(yīng)方程式）。

催化過程中，c(N2)和c(CO2)幾乎相等，由此判斷該反應(yīng)進行的快慢由第___步反應(yīng)決定。

請在如圖中繪制反應(yīng)在催化劑作用下的“能量～反應(yīng)過程”示意圖___。已知：兩步反應(yīng)均放熱。

Answer 1

【答案】尚未達到催化劑工作溫度(或尚未達到反應(yīng)的溫度) ＜ bc （或0.089) －365 FeO++COFe++CO2 一

【解析】

(1)開始時溫度較低、催化劑的活性不高；

(2)①根據(jù)壓強相同時，溫度與NO含量的關(guān)系分析判斷反應(yīng)的熱效應(yīng)；

②根據(jù)影響化學反應(yīng)速率和化學平衡移動的條件分析；

③根據(jù)物質(zhì)反應(yīng)轉(zhuǎn)化關(guān)系及平衡時NO的體積分數(shù)，計算平衡時各種氣體的物質(zhì)的量，結(jié)合在相同外界條件下，氣體的物質(zhì)的量的比等于體積比，用各自平衡分壓代入平衡常數(shù)表達式，可得其平衡常數(shù)；

(3)根據(jù)△H=生成物所具有的總能量-反應(yīng)物所具有的總能量；

(4)第二步反應(yīng)中，中間產(chǎn)物(FeO+)氧化CO生成CO2本身被還原成Fe+；催化劑可降低反應(yīng)的活化能、加快反應(yīng)速率，且活化能大的反應(yīng)速率慢，慢反應(yīng)決定整個反應(yīng)速率；

(1)任何催化劑都是在一定溫度范圍內(nèi)達到其催化活性。反應(yīng)開始時溫度較低，尚未達到催化劑工作溫度(或尚未達到反應(yīng)的溫度)；

(2)①在壓強不變時，T2>T1時，NO的體積含量增大，說明升高溫度，活性平衡逆向移動，根據(jù)平衡移動原理“升高溫度，活性平衡向吸熱反應(yīng)方向移動，逆反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，則該反應(yīng)的正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，△H<0；

②反應(yīng)2NO(g)+2CO(g)N2(g)+2CO2(g) △H<0的正反應(yīng)是氣體體積減小的放熱反應(yīng)。

a.改用高效催化劑，只能加快反應(yīng)速率，不能使平衡發(fā)生移動，NO的平衡轉(zhuǎn)化率不變，a不符合題意；

b.縮小容器的體積，物質(zhì)的濃度增大，反應(yīng)體系的壓強增大，化學平衡正向移動，NO的平衡轉(zhuǎn)化率增大，b符合題意；

c.增加CO的濃度，反應(yīng)速率增大，化學平衡正向移動，NO的平衡轉(zhuǎn)化率增大，c符合題意；

d.升高溫度，化學反應(yīng)速率增大，化學平衡向吸熱的逆反應(yīng)方向移動，NO的平衡轉(zhuǎn)化率減小，d不符合題意；

故合理選項是bc；

③對于反應(yīng)2NO(g)+2CO(g)N2(g)+2CO2(g) △H<0，在反應(yīng)開始時n(CO)=10 mol，n(NO)=8 mol，假設(shè)反應(yīng)達到平衡時產(chǎn)生N2的物質(zhì)的量為x mol，則同時產(chǎn)生CO2 2x mol，反應(yīng)消耗NO、CO的物質(zhì)的量為2x mol，所以平衡時n(CO)=(10-2x) mol，n(NO)=(8-2x) mol，n(N2)=x mol，n(CO2)=2x mol，由于在溫度為T1，壓強為10 Mpa時NO的含量為25%，所以=25%，解得x=2 mol，故在該條件下的平衡分壓Kp==，將P總=10 MPa代入，整理可得Kp=0.089 MPa；

(3)△H=生成物所具有的總能量-反應(yīng)物所具有的總能量=(393.5+0-475.5-283)kJ/mol=-365 kJ/mol；

(4)第二步反應(yīng)中，中間產(chǎn)物(FeO+)氧化CO生成CO2本身被還原成Fe+，反應(yīng)為FeO++COFe++CO2，兩步反應(yīng)均放熱，物質(zhì)相對能量越多，斷鍵吸收能量越大，反應(yīng)需要的活化能越大，反應(yīng)越不容易進行，根據(jù)物質(zhì)的相對能量可知第一步是慢反應(yīng)，控制總反應(yīng)速率，第二步反應(yīng)速率大于第一步反應(yīng)速率，所以在催化劑作用下的“能量～反應(yīng)過程”示意圖為。