Question

李克强总理曾在国务院政府工作报告中强调二氧化硫、氮氧化物排放量要下降3%。因此，研究烟气的脱硝(除NO_x)、脱硫(除SO₂)技术有着积极的环保意义。

(1)汽车的排气管上安装“催化转化器”，其反应的热化学方程式为：2NO(g)+2CO(g)2CO₂(g)+N₂(g)    ΔH=-746.50 kJ·mol^-1。T℃时，将等物质的量的NO和CO充入容积为2 L的密闭容器中，若温度和体积不变，反应过程中(0~15 min)NO的物质的量随时间变化如图。

①图中a、b分别表示在相同温度下，使用质量相同但表面积不同的催化剂时，达到平衡过程中n(NO)的变化曲线，其中表示催化剂表面积较大的曲线是_____（填“a”或“b”）。

②T℃时，15 min时，再向容器中充入CO、CO₂各0.2 mol，则平衡将____移动（填“向左”、“向右”或“不”）。

(2)在催化剂作用下，用还原剂[如肼(N₂H₄)]选择性地与NO_x反应生成N₂和H₂O。

已知200℃时：Ⅰ.3N₂H₄(g)=N₂(g)+4NH₃(g)    ΔH₁=-32.9 kJ·mol^-1；

II.N₂H₄(g)+H₂(g)=2NH₃(g)    ΔH₂=-41.8 kJ·mol^-1。

①写出肼的电子式______。

②200℃时，肼分解成氮气和氢气的热化学方程式为_______。

③目前，科学家正在研究一种以乙烯作为还原剂的脱硝原理，其脱硝率与温度、负载率(分子筛中催化剂的质量分数)的关系如图所示。

为达到最佳脱硝效果，应采取的条件是_______。

(3)某温度下，N₂O₅气体在一体积固定的容器中发生如下反应：2N₂O₅(g)=4NO₂(g)＋O₂(g)(慢反应)△H＜0，2NO₂(g)N₂O₄(g)(快反应)△H＜0，体系的总压强p_总和pO₂随时间的变化如图所示：

①图中表示O₂压强变化的曲线是_______(填“甲”或“乙”)。

②已知N₂O₅分解的反应速率v=0.12pN₂O₅(kPa•h^-1)，t=10 h时，pN₂O₅=__kPa，v=__kPa•h^-1(结果保留两位小数，下同)。

③该温度下2NO₂N₂O₄反应的平衡常数K_p=___kPa^-1(K_p为以分压表示的平衡常数)。

Answer

b 不 N2H4(g)=N2(g)+2H2(g) ΔH=+50.7 kJ·mol-1 350℃左右、负载率3% 乙 28.2 3.38 0.05

【解析】

(1)①催化剂表面积越大，反应速率越快，达到平衡所需要的时间越短；

②起始时，NO为4 mol，平衡时NO为0.2 mol，根据方程式求出平衡时CO、CO2、N2的浓度，根据平衡常数表达式计算；根据Qc与K的相对大小分析；

(2)①肼分子式是N2H4，结构简式是H2N-NH2，据此书写电子式；

②N2H4分解产生N2(g)、H2(g)，将已知热化学方程式叠加，可得肼分解的热化学方程式；

③根据温度与脱硝率、负载率关系判断最佳反应条件；

(3)①图乙中表示O2压强变化的曲线是乙，甲为总压强p总；

②图甲表示总压强p总，反应起始只有N2O5气体，则起始pN2O5=53.8 kPa，根据图可知，t=10 h时，pO2=12.8 kPa，根据反应2N2O5(g)4NO2(g)+O2(g)，则该时间段N2O5的压强减少为12.8 kPa×2=25.6 kPa，据此计算；

③根据反应2N2O5(g)4NO2(g)+O2(g)计算N2O5完全分解时的压强计算出NO2和O2的压强，再根据2NO2(g)N2O4(g)计算平衡时的NO2、N2O4压强，可得平衡常数。

(1)由于催化剂表面积越大，反应速率越快，达到平衡所需要的时间越短，根据图象b曲线表示的反应条件先达到平衡先达到，说明b反应速率快，则b催化剂反应速率快，则b的表面积比催化剂a大；

②在恒容密闭容器中发生反应：2NO(g)+2CO(g)2CO2(g)+N2(g)，反应开始时，n(CO)=n(NO)=0.4 mol，n(CO2)=n(N2)=0，反应达到平衡时n(NO)=0.2 mol，则根据物质反应转化关系可知，n(CO)=0.2 mol，n(CO2)=0.2 mol，n(N2)=0.1 mol，由于容器的容积是2 L，所以各种物质的平衡浓度：c(CO)=c(NO)=0.1 mol/L，c(CO2)=0.1 mol/L，c(N2)=0.05 mol/L，则平衡常数K==5，若平衡时温度不变，再向容器中从容CO、CO2各0.2 mol，则c(CO)=c(CO2)=0.2 mol/L，Qc==5=K，所以化学平衡不发生移动；

(2)①肼分子式是N2H4，结构简式是H2N-NH2，2个N原子之间形成1个共价键，每个N原子再分别与2个H原子形成2个共价键，使分子中每个原子都达到稳定结构，故其电子式为：；

②已知：(I)3N2H4(g)=N2(g)+4NH3(g) ΔH1=-32.9kJ·mol-1；

(II)N2H4(g)+H2(g)=2NH3(g) ΔH2=-41.8 kJ·mol-1。

将(I)- (II)×2，整理可得N2H4(g)=N2(g)+2H2(g) ΔH=+50.7 kJ·mol-1；

③根据温度与脱硝率、负载率的关系可知：要达到最佳脱硝效果，应采取的条件是温度350℃左右、负载率3%；

(3)①反应从加入N2O5(g)开始，没有O2，所以开始时O2产生的压强为0，随着反应的进行不断生成氧气，氧气的压强增大，故乙曲线是氧气压强变化的曲线；

②图甲表示总压强p总，反应起始只有N2O5气体，则起始pN2O5=53.8 kPa，根据图可知，t=10 h时，pO2=12.8 kPa，根据反应2N2O5(g)4NO2(g)+O2(g)，有物质之间反应转化关系可知该时间段N2O5的压强减少△p(N2O5)=12.8 kPa×2=25.6 kPa，故t=10 h时，pN2O5=53.8 kPa-25.6 kPa=28.2 kPa，v(N2O5)=0.12pN2O5(kPa•h-1)=0.12×28.2 kPa=3.38 kPa•h-1；

③已知：起始时pN2O5=53.8 kPa，根据反应2N2O5(g)4NO2(g)+O2(g)，若N2O5完全分解，生成的pNO2=53.8 kPa×2=107.6 kPa，pO2=53.8 kPa÷2=26.9 kPa，则此时气体总压强应该为p(总)=107.6 kPa+26.9 kPa=134.5 kPa。但根据图示可知，最终压强为94.7 kPa，则NO2转化发生反应：2NO2(g)N2O4(g)使压强减少了134.5 kPa-94.7 kPa=39.8 kPa，根据反应：2NO2(g)N2O4(g)，△p=pN2O4=39.8 kPa，则平衡时pNO2=107.6 kPa-2×39.8 kPa=28 kPa，则该反应的平衡常数Kp==0.05 kPa-1。