Question

9．近年來霧霾天氣多次肆虐我國部分地區(qū)．其中燃煤和汽車尾氣是造成空氣污染的原因之一．
（1）汽車尾氣凈化的主要原理為：2NO（g）+2CO（g）$\stackrel{催化劑}{?}$2CO₂（g）+N₂（g）．在密閉容器中發(fā)生該反應(yīng)時，c（CO₂）隨溫度（T）和時間（t）的變化曲線如圖1所示．據(jù)此判斷：
①該反應(yīng)的△H＜0（填“＜”或“＞”）．
②在T₂溫度下，0～2s內(nèi)的平均反應(yīng)速率v（N₂）為0.025mol/（L•s）．
③若該反應(yīng)在絕熱、恒容的密閉體系中進(jìn)行，圖2中正確且能說明反應(yīng)在進(jìn)行到t₁時刻達(dá)到平衡狀態(tài)的是c（填字母編號）．
（2）直接排放煤燃燒產(chǎn)生的煙氣會引起嚴(yán)重的環(huán)境問題．煤燃燒產(chǎn)生的煙氣中含氮的氧化物，用CH₄催化還原
NO_x可以消除氮氧化物的污染．
已知：CH₄（g）+2NO₂（g）═N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-867kJ/mol①
      2NO₂（g）?N₂O₄（g）△H=-56.9kJ/mol②
      H₂O（g）═H₂O（l）△H=-44.0kJ/mol③
寫出CH₄催化還原N₂O₄（g）生成N₂和H₂O（l）的熱化學(xué)方程式CH₄（g）+N₂O₄（g）═N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（l）△H═-898.1kJ/mol．
（3）甲烷燃料電池可以提升能量利用率．如圖3是利用甲烷燃料電池電解100mL 1mol/L食鹽水的裝置，電解一段時間后，收集到標(biāo)準(zhǔn)狀況下的氫氣2.24L（設(shè)電解后溶液體積不變）．
①該燃料電池的負(fù)極反應(yīng)式為CH₄-8e^-+2H₂O=CO₂+8H⁺．
②電解后溶液的pH約為14（忽略氯氣與氫氧化鈉溶液反應(yīng)）．
③陽極產(chǎn)生氣體的體積在標(biāo)準(zhǔn)狀況下約為1.68L．

Answer 1

分析 （1）①根據(jù)到達(dá)平衡的時間判斷溫度高低，根據(jù)平衡時二氧化碳的濃度判斷溫度對平衡的影響，進(jìn)而判斷△H；
②由圖可知，T₂溫度平衡時，二氧化碳的濃度變化量為0.1mol/L，根據(jù)v=$\frac{△c}{△t}$計(jì)算v（CO₂），再根據(jù)速率之比等于化學(xué)計(jì)量數(shù)之比計(jì)算v（N₂）；
③a、到達(dá)平衡后正、逆速率相等，不再變化；
b、t₁時刻后二氧化碳、NO的物質(zhì)的量發(fā)生變化，最后不再變化；
c、到達(dá)平衡后各組分的含量不發(fā)生變化；
（2）根據(jù)蓋斯定律，由已知熱化學(xué)方程式乘以適當(dāng)?shù)南禂?shù)進(jìn)行加減構(gòu)造目標(biāo)熱化學(xué)方程式；
（3）①原電池負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，甲烷在負(fù)極通入，酸性條件下，發(fā)生氧化反應(yīng)生成CO₂、H⁺；
②根據(jù)電解氯化鈉溶液的電解方程式來求溶液的pH；
③B裝置為電解池，陽極是a，溶液中氯離子失電子生成氯氣，氫氧根離子失電子生成氧氣，依據(jù)電子守恒計(jì)算．

解答 解：（1）①由圖1可知，溫度T₁先到達(dá)平衡，故溫度T₁＞T₂，溫度越高平衡時，二氧化碳的濃度越低，說明升高溫度平衡向逆反應(yīng)移動，故正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，即為△H＜0，故答案為：＜；
②由圖可知，T₂溫度時2s到達(dá)平衡，平衡時二氧化碳的濃度變化量為0.1mol/L，故v（CO₂）=$\frac{0.1mol/L}{2s}$=0.05mol/（L•s），速率之比等于化學(xué)計(jì)量數(shù)之比，故v（N₂）=$\frac{1}{2}$v（CO₂）=$\frac{1}{2}$×0.05mol/（L•s）=0.025mol/（L•s），
故答案為：0.025mol/（L•s）；
③a、到達(dá)平衡后正、逆速率相等，不再變化，t₁時刻V_正最大，之后隨反應(yīng)進(jìn)行速率發(fā)生變化，未到達(dá)平衡，故a錯誤；
b、t₁時刻后二氧化碳、NO的物質(zhì)的量發(fā)生變化，t₁時刻未到達(dá)平衡狀態(tài)，故b錯誤；
c、NO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為定值，t₁時刻處于平衡狀態(tài)，故c正確，
故答案為：c；
（2）已知：①CH₄（g）+2NO₂（g）═N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₁=-867kJ/mol②2NO₂（g）?N₂O₄（g）△H₂=-56.9kJ/mol
③H₂O（g）=H₂O（l）△H=-44.0kJ•mol^-1
根據(jù)蓋斯定律，①-②+③×2得：CH₄（g）+N₂O₄（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（l），
故△H=-867kJ/mol-（-56.9kJ/mol）-44.0kJ•mol^-1×2=-898.1kJ/mol，
即CH₄（g）+N₂O₄（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（l），△H=-898.1kJ/mol，
故答案為：CH₄（g）+N₂O₄（g）═N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（l）△H═-898.1kJ/mol；
（3）①原電池負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，甲烷在負(fù)極通入，酸性條件下，發(fā)生氧化反應(yīng)生成CO₂、H⁺，負(fù)極電極反應(yīng)式為：CH₄-8e^-+2H₂O=CO₂+8H⁺，
故答案為：CH₄-8e^-+2H₂O=CO₂+8H⁺；
②由方程式：2NaCl+2H₂O$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$2NaOH+H₂↑+Cl₂↑
           2      2                  22.4
0.1L×1mol/L    0.1                  2.24L
由題可知：之后反應(yīng)為直接電解水，溶液pH值不改變，C（H⁺）=$\frac{\frac{1{0}^{-14}}{0.1}}{0.1}$=10^-14，所以pH=14，
故答案為：14；
③甲烷燃料電池電解100mL 1mol/L食鹽水，溶液中n（Cl^-）=0.1mol，電解一段時間后，收集到標(biāo)準(zhǔn)狀況下的氫氣2.24L，物質(zhì)的量為0.1mol，依據(jù)電解反應(yīng)和電子守恒分析，陰極2H⁺+2e^-=H₂↑，電子轉(zhuǎn)移0.2mol，陽極電極反應(yīng)：2Cl^--2e^-=Cl₂↑，0.1mol氯離子失電子0.1mol生成氯氣0.05mol氣體，所以氫氧根離子失電子0.1mol，4OH^--4e^-=2H₂O+O₂↑，轉(zhuǎn)移0.1mol電子生成氧氣0.025mol，共生成氣體物質(zhì)的量=0.05mol+0.025mol=0.075mol，標(biāo)準(zhǔn)狀況氣體體積=0.075mol×22.4L/mol=1.68L，故答案為：1.68．

點(diǎn)評 本題考查了蓋斯定律求焓變、化學(xué)平衡影響因素，化學(xué)反應(yīng)速率，平衡常數(shù)概念計(jì)算應(yīng)用，原電池電解池原理的分析應(yīng)用，注意平衡的條件分析，電極反應(yīng)和電子守恒的計(jì)算是解題關(guān)鍵，題目難度中等．