Question

近年来，汽车尾气催化净化成为极其重要的环保产业。请回答下列问题：

I.治理汽车尾气中NO和CO的一种方法是在汽车的排气管道上安装一个催化转化装置。发生反应：2NO(g)+2CO(g)N₂₍g)+2CO₂(g)。

(1)实际测试某汽车冷启动时的尾气催化处理CO、NO百分含量随时间变化曲线如图一，0~10 s阶段，CO、NO百分含量没有明显变化的原因是______；

(2)在密闭容器中充入10 mol CO和8 mol NO发生反应，测得平衡时NO的体积分数与温度、压强的关系如图二。

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

②为同时提高反应速率和NO的平衡转化率，可采取的措施有______(填字母序号)。

a.改用高效催化剂      b.缩小容器的体积

c.增加CO的浓度      d.升高温度

③压强为10MPa、温度为T₁下，该温度下用分压表示的平衡常数K_p=___MPa^-1（分压=总压×物质的量分数）。

II.汽车尾气中CO与N₂O会发生反应：N₂O(g)+CO(g)CO₂(g)+N₂(g)   ΔH。几种物质的相对能量如下：

物质	N2O(g)	CO(g)	CO2(g)	N2(g)
相对能量/ kJ/mol	475.5	283	0	393.5

(3)ΔH=___kJ/mol。

(4)实验室用Fe⁺作催化剂，以N₂O和CO投入比为1：1模拟上述反应，其总反应分两步进行：

第一步：Fe⁺+N₂OFeO⁺+N₂；

第二步：___（写反应方程式）。

催化过程中，c(N₂)和c(CO₂)几乎相等，由此判断该反应进行的快慢由第___步反应决定。

请在如图中绘制反应在催化剂作用下的“能量～反应过程”示意图___。已知：两步反应均放热。

Answer

尚未达到催化剂工作温度(或尚未达到反应的温度) ＜ bc （或0.089) －365 FeO++COFe++CO2 一

【解析】

(1)开始时温度较低、催化剂的活性不高；

(2)①根据压强相同时，温度与NO含量的关系分析判断反应的热效应；

②根据影响化学反应速率和化学平衡移动的条件分析；

③根据物质反应转化关系及平衡时NO的体积分数，计算平衡时各种气体的物质的量，结合在相同外界条件下，气体的物质的量的比等于体积比，用各自平衡分压代入平衡常数表达式，可得其平衡常数；

(3)根据△H=生成物所具有的总能量-反应物所具有的总能量；

(4)第二步反应中，中间产物(FeO+)氧化CO生成CO2本身被还原成Fe+；催化剂可降低反应的活化能、加快反应速率，且活化能大的反应速率慢，慢反应决定整个反应速率；

(1)任何催化剂都是在一定温度范围内达到其催化活性。反应开始时温度较低，尚未达到催化剂工作温度(或尚未达到反应的温度)；

(2)①在压强不变时，T2>T1时，NO的体积含量增大，说明升高温度，活性平衡逆向移动，根据平衡移动原理“升高温度，活性平衡向吸热反应方向移动，逆反应为吸热反应，则该反应的正反应为放热反应，△H<0；

②反应2NO(g)+2CO(g)N2(g)+2CO2(g) △H<0的正反应是气体体积减小的放热反应。

a.改用高效催化剂，只能加快反应速率，不能使平衡发生移动，NO的平衡转化率不变，a不符合题意；

b.缩小容器的体积，物质的浓度增大，反应体系的压强增大，化学平衡正向移动，NO的平衡转化率增大，b符合题意；

c.增加CO的浓度，反应速率增大，化学平衡正向移动，NO的平衡转化率增大，c符合题意；

d.升高温度，化学反应速率增大，化学平衡向吸热的逆反应方向移动，NO的平衡转化率减小，d不符合题意；

故合理选项是bc；

③对于反应2NO(g)+2CO(g)N2(g)+2CO2(g) △H<0，在反应开始时n(CO)=10 mol，n(NO)=8 mol，假设反应达到平衡时产生N2的物质的量为x mol，则同时产生CO2 2x mol，反应消耗NO、CO的物质的量为2x mol，所以平衡时n(CO)=(10-2x) mol，n(NO)=(8-2x) mol，n(N2)=x mol，n(CO2)=2x mol，由于在温度为T1，压强为10 Mpa时NO的含量为25%，所以=25%，解得x=2 mol，故在该条件下的平衡分压Kp==，将P总=10 MPa代入，整理可得Kp=0.089 MPa；

(3)△H=生成物所具有的总能量-反应物所具有的总能量=(393.5+0-475.5-283)kJ/mol=-365 kJ/mol；

(4)第二步反应中，中间产物(FeO+)氧化CO生成CO2本身被还原成Fe+，反应为FeO++COFe++CO2，两步反应均放热，物质相对能量越多，断键吸收能量越大，反应需要的活化能越大，反应越不容易进行，根据物质的相对能量可知第一步是慢反应，控制总反应速率，第二步反应速率大于第一步反应速率，所以在催化剂作用下的“能量～反应过程”示意图为。