Question

20．消除氮氧化物污染有多種方法．
（1）用CH₄催化還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
寫出CH₄（g）與NO₂（g）反應(yīng)生成N₂（g）、CO₂（g）和H₂O（l）的熱化學(xué)方程式CH₄（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（1），△H=-955 kJ•mol^-1．
（2）用活性炭還原法處理氮氧化物．有關(guān)反應(yīng)為：C（s）+2NO（g）?N₂ （g）+CO₂ （g）某研究小組向恒容密閉容器加入一定量的活性炭和NO，恒溫條件下反應(yīng)，反應(yīng)進(jìn)行到不同時(shí)間測得各物質(zhì)的濃度如下

濃度/mol•L-1 時(shí)間/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不能作為判斷反應(yīng)達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)的依據(jù)是B C
A．容器內(nèi)CO₂的濃度保持不變 B．v_正（N₂）=2v_正（NO） C．容器內(nèi)壓強(qiáng)保持不變 D．混合氣體的密度保持不變 E．混合氣體的平均相對分子質(zhì)量保持不變
②計(jì)算該溫度下該反應(yīng)的平衡常數(shù)為0.56（保留兩位小數(shù)）；
③在30min，改變某一條件，反應(yīng)重新達(dá)到平衡，則改變的條件是減小CO₂濃度．
（3）甲烷燃料電池可以提升能量利用率，如圖是利用甲烷燃料電池電解50mL2mol/L的氯化銅溶液的裝置示意圖：

請回答：
①甲烷燃料電池的負(fù)極反應(yīng)式是CH₄-8e^─+2H₂O=CO₂+8H⁺
②當(dāng)A中消耗0.15mol氧氣時(shí)，B中b（用a或b 表示）極增重19.2g．

Answer 1

分析 （1）依據(jù)熱化學(xué)方程式和蓋斯定律計(jì)算[①+②+③×4]×$\frac{1}{2}$得到CH₄（g）與NO₂（g）反應(yīng)生成N₂（g）、CO₂（g）和H₂O（l）的熱化學(xué)方程式；
（2）①依據(jù)化學(xué)平衡狀態(tài)的實(shí)質(zhì)是正逆反應(yīng)速率相等，結(jié)合反應(yīng)特征分析判斷，由正逆反應(yīng)速率相同衍生的關(guān)系，變量不變說明反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)；
②20min-30min反應(yīng)達(dá)到平衡，圖表中得到平衡濃度，依據(jù)平衡常數(shù)的概念計(jì)算得到；
③依據(jù)圖表數(shù)據(jù)變化分析，30min末一氧化氮和二氧化碳濃度減小，氮?dú)鉂舛仍龃�，結(jié)合計(jì)算平衡常數(shù)和濃度變化分析判斷；改變的條件可能是減小二氧化碳濃度；
（3）①甲烷燃料酸性電池中，負(fù)極上甲烷失電子生成水和二氧化碳，結(jié)合電荷守恒和原子守恒書寫電極反應(yīng)；
②b電極為陰極，陰極上銅離子放電生成Cu，根據(jù)Cu和轉(zhuǎn)移電子之間的關(guān)系式計(jì)算；

解答 解：（1）①CH₄（g）+4NO₂（g）═4NO（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-574kJ•mol^-l
②CH₄（g）+4NO（g）═2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂ O（g）△H=-1160kJ•mol^-l
③H₂O（g）═H₂O（l）△H=-44.0kJ•mol^-l
依據(jù)蓋斯定律計(jì)算[①+②+③×4]×$\frac{1}{2}$得到CH₄（g）與NO₂（g）反應(yīng)生成N₂（g）、CO₂（g）和H₂O（l）的熱化學(xué)方程式：CH₄（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-955 kJ•mol^-1；
故答案為：CH₄（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-955 kJ•mol^-1；
（2）①C（s）+2NO（g）?N₂（g）+CO₂（g）．反應(yīng)是氣體體積不變的反應(yīng)；
A．容器內(nèi)CO₂的濃度保持不變說明反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，故A正確；
B．反應(yīng)速率之比等于化學(xué)方程式系數(shù)之比，當(dāng)v_正（NO）=2v_逆（N₂），反應(yīng)達(dá)到平衡，v_正（NO）=2v_正（N₂）z只能說明反應(yīng)正向進(jìn)行，故B錯(cuò)誤；
C．反應(yīng)是氣體體積不變的反應(yīng)，反應(yīng)過程中和反應(yīng)平衡狀態(tài)壓強(qiáng)相同，所以容器內(nèi)壓強(qiáng)保持不變不能說明反應(yīng)達(dá)到平衡，故C錯(cuò)誤；
D．混合氣體密度等于質(zhì)量除以體積，反應(yīng)中碳是固體，平衡移動(dòng)氣體質(zhì)量變化，體積不變，所以混合氣體的密度保持不變，說明反應(yīng)達(dá)到平衡，故D正確；
E．混合氣體的平均相對分子質(zhì)量等于氣體總質(zhì)量除以總物質(zhì)的量，反應(yīng)中碳是固體，平衡移動(dòng)，氣體質(zhì)量發(fā)生變化，氣體物質(zhì)的量不變，混合氣體的平均相對分子質(zhì)量保持不變，說明反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，故E正確；
故選BC；
②20-30min反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，C（s）+2NO（g）?N₂ （g）+CO₂ （g），各物質(zhì)的平衡濃度為：c（CO₂）=c（N₂）=0.3mol/L；c（NO）=0.4mol/L，反應(yīng)的平衡常數(shù)為：K=$\frac{[C{O}_{2}][{N}_{2}]}{[NO]^{2}}$=$\frac{0.3×0.3}{0．{4}^{2}}$=0.56，故答案為：0.56；
③30min時(shí)改變某一條件，反應(yīng)重新達(dá)到平衡，依據(jù)平衡常數(shù)計(jì)算得到c（N₂）=0.34mol/L；c（CO₂）=0.17mol/L；c（NO）=0.32mol/L；K=$\frac{[C{O}_{2}][{N}_{2}]}{[NO]^{2}}$=$\frac{0.34×0.17}{0.3{2}^{2}}$=0.56，化學(xué)平衡常數(shù)隨溫度變化，平衡常數(shù)不變說明改變的條件一定不是溫度，依據(jù)數(shù)據(jù)分析，氮?dú)鉂舛仍龃�，二氧化碳和一氧化氮濃度減小，反應(yīng)前后氣體體積不變，所以減小二氧化碳濃度，平衡正向進(jìn)行的結(jié)果，故答案為：減小二氧化碳濃度；
（3）①甲烷燃料酸性電池中，負(fù)極上甲烷失電子生成水和二氧化碳，電極反應(yīng)為CH₄-8e^─+2H₂O=CO₂+8H⁺，故答案為：CH₄-8e^─+2H₂O=CO₂+8H⁺；
②A中消耗0.15mol氧氣時(shí)，O₂+2H₂O+4e^-=4OH^-，轉(zhuǎn)移0.6mol電子，b電極為陰極，陰極上銅離子放電生成Cu，Cu²⁺+2e^-=Cu，根據(jù)Cu和轉(zhuǎn)移電子之間的關(guān)系式得析出Cu的質(zhì)量=$\frac{0.6mol}{2}$×1×64g/mol=19.2g，故答案為：b；19.2；

點(diǎn)評 本題考查了熱化學(xué)方程式和蓋斯定律的計(jì)算應(yīng)用，化學(xué)反應(yīng)速率、化學(xué)平衡常數(shù)及其化學(xué)平衡影響因素和平衡標(biāo)志的分析判斷，數(shù)值的處理和判斷是解題關(guān)鍵，題目難度中等．