Question

14．目前，消除氮氧化物污染有多种方法．
（1）用CH₄催化还原氮氧化物可以消除氮氧化物的污染．已知：
①CH₄ （g）+4NO₂ （g）=4NO（g）+CO₂ （g）+2H₂ O（g）△H=-574kJ•mol^-1
②CH₄ （g）+4NO（g）=2N₂ （g）+CO₂ （g）+2H₂ O（g）△H=-1160kJ•mol^-1
③H₂O（g）=H₂O（l）△H=-44.0kJ•mol^-1
写出CH₄（g）与NO₂（g）反应生成N₂（g）、CO₂（g）和H₂O（l）的热化学方程式
CH₄（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（1），△H=-955kJ•mol^-1．
（2）用活性炭还原法处理氮氧化物．有关反应为：C（s）+2NO（g）?N₂ （g）+CO₂ （g）某研究小组向
恒容密闭容器加入一定量的活性炭和NO，恒温条件下反应，反应进行到不同时间测得各物质的浓度如下

浓度/mol•L-1 时间/min	NO	N2	CO2
0	0.100	0	0
10	0.058	0.021	0.021
20	0.040	0.030	0.030
30	0.040	0.030	0.030
40	0.032	0.034	0.017
50	0.032	0.034	0.017

①不能作为判断反应达到化学平衡状态的依据是BC
A．容器内CO₂的浓度保持不变          B．v_正（N₂）=2v_正（NO）
C．容器内压强保持不变               D．混合气体的密度保持不变
E．混合气体的平均相对分子质量保持不变
②在该温度下时．该反应的平衡常数为0.56（保留两位小数）；
③在30min，改变某一条件，反应重新达到平衡，则改变的条件是分离出了二氧化碳．
（3）甲烷燃料电池可以提升能量利用率，下图是利用甲烷燃料电池电解50mL2mol/L的氯化铜溶液的
装置示意图：

请回答：
①甲烷燃料电池的负极反应式是CH₄-8e^-+10OH^-=CO₃^2-+7H₂O
②当A中消耗0.15mol氧气时，B中b（用a或b 表示）极增重6.4g．

Answer 1

分析 （1）CH₄（g）与NO₂（g）反应生成N₂（g）、CO₂（g）和H₂O（l）的化学方程式为：CH₄（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（1），已知：①CH₄ （g）+4NO₂ （g）=4NO（g）+CO₂ （g）+2H₂ O（g）△H=-574kJ•mol^-1
②CH₄ （g）+4NO（g）=2N₂ （g）+CO₂ （g）+2H₂ O（g）△H=-1160kJ•mol^-1
③H₂O（g）=H₂O（l）△H=-44.0kJ•mol^-1，根据所给的反应来构建目标反应；
（2）①依据化学平衡状态的实质是正逆反应速率相等，结合反应特征分析判断；
②当20-30min时，各物质的物质的量不变，则该反应达到平衡状态，根据K=$\frac{c（C{O}_{2}）•c（{N}_{2}）}{{c}^{2}（NO）}$计算；
③根据表中数值知，NO、二氧化碳的浓度减小，氮气的浓度增大，说明改变条件是分离出二氧化碳物质；
（3）①甲烷燃料碱性电池中，负极上甲烷失电子和氢氧根离子反应生成碳酸根离子和水，正极上氧气得电子和水生成氢氧根离子；
②电解池中，阴极上电极反应式为Cu ²⁺+2e^-=Cu，阳极上电极反应式为2Cl^--2e^-=Cl₂↑，根据串联电路中转移电子相等计算析出铜的质量．

解答 解：（1）CH₄（g）与NO₂（g）反应生成N₂（g）、CO₂（g）和H₂O（l）的化学方程式为：CH₄（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（1）．
已知：①CH₄ （g）+4NO₂ （g）=4NO（g）+CO₂ （g）+2H₂ O（g）△H=-574kJ•mol^-1
②CH₄ （g）+4NO（g）=2N₂ （g）+CO₂ （g）+2H₂ O（g）△H=-1160kJ•mol^-1
③H₂O（g）=H₂O（l）△H=-44.0kJ•mol^-1，
将$\frac{①+②-③×4}{2}$可得：CH₄（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（1），△H=$\frac{（-574KJ/mol）+（-1160KJ/mol）-（-44KJ/mol）×4}{2}$=-955KJ/mol，故答案为：CH₄（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（1），△H=-955 kJ•mol^-1；
（2）①C（s）+2NO（g）?N₂（g）+CO₂（g），反应是气体体积不变的反应；
A．容器内CO₂的浓度不变，说明反应达到平衡，故A正确；
B．反应速率之比等于化学方程式系数之比，当v_正（NO）=2v_逆（NO），反应达到平衡，v_正（NO）=2v_正（NO）只能说明反应正向进行，故B错误；
C．反应是气体体积不变的反应，反应过程中和反应平衡状态压强相同，所以容器内压强保持不变不能说明反应达到平衡，故C错误；
D．混合气体密度等于质量除以体积，反应中碳是固体，平衡移动气体质量变化，体积不变，所以混合气体的密度保持不变，说明反应达到平衡，故D正确；
E．混合气体的平均相对分子质量=$\frac{{m}_{总}}{{n}_{总}}$，此反应前后气体的物质的量不变，但气体的质量改变，故当未达平衡时，混合气体的相对分子质量在改变，则当混合气体的平均相对分子质量保持不变时，反应达平衡，故E正确．
故选BC；
②当20-30min时，各物质的物质的量不变，则该反应达到平衡状态，K=$\frac{c（C{O}_{2}）•c（{N}_{2}）}{{c}^{2}（NO）}$=$\frac{0.03×0.03}{0.0{4}^{2}}$=0.56，故答案为：0.56；
③根据表中数值知，NO、二氧化碳的浓度减小，氮气的浓度增大，说明改变条件是分离出二氧化碳物质，故答案为：分离出了二氧化碳；
（3）①甲烷碱性燃料电池中，负极上电极反应式为CH₄-8e^-+10OH^-=CO₃^2-+7H₂O，正极上电极反应式为 O₂+2H₂O+4e^-=4OH^-，故答案为：CH₄-8e^-+10OH^-=CO₃^2-+7H₂O；
②电解池中，阴极上电极反应式为Cu ²⁺+2e^-=Cu，阳极上电极反应式为2Cl^--2e^-=Cl₂↑，连接原电池负极的是阴极，所以B中析出金属的是b电极，当A中消耗0.15mol氧气时，转移电子的物质的量=0.15mol×4=0.6mol，n（Cu ²⁺ ）=2mol/L×0.05L=0.1mol，铜离子完全析出需要0.2mol电子，串联电路中转移电子相等，b电极上析出铜和氢气，所以析出铜的质量=0.1mol×64g/mol=6.4g，
故答案为：b；6.4．

点评 本题考查较综合，涉及原电池和盖斯定律等知识点，明确平衡常数的计算、平衡移动的方向和盖斯定律、原电池和电解池原理即可解答，综合性较强，难度适中．