Question

10．天然氣的主要成分是甲烷，甲烷開發(fā)利用的前景非常廣闊．
（1）已知利用甲烷可催化還原霧霾的形成的元兇NO_x：
CH₄（g）+4NO₂（g）═4NO（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₁=-574kJ/mol
CH₄（g）+4NO（g）═2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₂=-1160kJ/mol
甲烷直接將NO₂還原為N₂的熱化學(xué)方程式為CH₄（g）+2NO₂（g）═N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-867kJ•mol^-1．
（2）CO₂可轉(zhuǎn)化為甲醇：CO₂（g）+3H₂（g）═CH₃OH（g）+H₂O（g）
①在一恒溫恒容密閉容器中充入1mol CO₂和3 mol H₂進(jìn)行上述反應(yīng)．測得CO₂和CH₃OH（g）濃度隨時(shí)間變化如圖1所示．回答：0～10min內(nèi)，氫氣的平均反應(yīng)速率為0.225mol/（L•min）．
②若反應(yīng)在容積可變的容器中進(jìn)行．縮小容器體積使壓強(qiáng)增大，平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)（填“正”或“逆”），平衡常數(shù)K值不變（填“增大”、“減小”或“不變”）．
（3）圖2是一個(gè)以甲烷燃料電池為電源的電化學(xué)示意圖，回答下列問題：

①甲裝置中通入CH₄ 的電極反應(yīng)式為CH₄+10OH^--8e^-=CO₃^2-+7H₂O，
②乙裝置中總反應(yīng)的離子方程式為4Ag⁺+2H₂O$\frac{\underline{\;電解\;}}{\;}$4Ag+O₂↑+4H⁺，
③一段時(shí)間，當(dāng)丙池中D電極產(chǎn)生56mLH₂（標(biāo)準(zhǔn)狀況下）氣體時(shí)，均勻攪拌丙池，所得溶液在25℃時(shí)的pH=12．（已知：NaCl溶液足量，電解后溶液體積為500mL且假設(shè)兩極產(chǎn)生的氣體全部逸出）．
（4）已知甲池反應(yīng)反應(yīng)進(jìn)行到一定程度后可獲得K₂CO₃溶液．
①用離子方程式解釋溶液呈現(xiàn)酸堿性的原因：CO₃^2-+H₂O?HCO₃^-+OH^-．
②若將等濃度的K₂CO₃ 和KHCO₃溶液等體積混合，則離子濃度由大到小的順序?yàn)椋篶（K⁺）＞c（HCO₃^-）＞c（CO₃^2-）＞c（OH^-）＞c（H⁺）．
③常溫常壓下，若將CO₂溶于水，達(dá)到平衡時(shí)．溶液的pH=5.60，c（H₂CO₃）=1.5×10^-5mol/L．若忽略水的電離及H₂CO₃的第二級電離，則H₂CO₃的電離平衡常數(shù)K₁=4.2×10^-7（已知：10^-5.6=2.5×10^-6）．

Answer 1

分析 （1）依據(jù)熱化學(xué)方程式和蓋斯定律計(jì)算得到；
（2）①先根據(jù)圖表，利用v=$\frac{△c}{△t}$計(jì)算v（CO₂），再利用各物質(zhì)的反應(yīng)速率之比等于計(jì)量數(shù)之比，確定v（H₂）；
②縮小容器體積使壓強(qiáng)增大，平衡向氣體體積減小的方向移動(dòng)；平衡常數(shù)K僅與溫度有關(guān)；
（3）①甲池為甲烷形成的燃料電池，CH₄在負(fù)極上失電子，堿性條件下生成碳酸根；
②乙裝置中B（Ag）的電極為陰極為陽離子得電子，A電極為陽極為陰離子失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，據(jù)此書寫總反應(yīng)；
③電解氯化鈉溶液時(shí)，陰極上氫離子放電，陽極上氯離子放電，根據(jù)氯氣和氫氧化鈉的關(guān)系式計(jì)算氫氧化鈉的物質(zhì)的量濃度，從而得出溶液的pH；
（4）①K₂CO₃溶液發(fā)生水解反應(yīng)溶液呈堿性；
②若將等濃度的K₂CO₃ 和KHCO₃溶液等體積混合，CO₃^2-水解大于HCO₃^-離子的水解，溶液呈堿性，以此判斷離子濃度大小；
③根據(jù)平衡常數(shù)K=$\frac{c（HCO{\;}_{3}{\;}^{-}）c（H{\;}^{+}）}{c（H{\;}_{2}CO{\;}_{3}）}$計(jì)算．

解答 解：（1）①CH₄（g）+4NO₂（g）═4NO（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-574kJ•mol^-1
②CH₄（g）+4NO（g）═2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-1160kJ•mol^-1
由蓋斯定律（①+②）×$\frac{1}{2}$得到CH₄（g）+2NO₂（g）═N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-867kJ•mol^-1，
故答案為：CH₄（g）+2NO₂（g）═N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-867kJ•mol^-1；
（2）①由圖可知，10min時(shí)，反應(yīng)已經(jīng)達(dá)平衡，△c（CO₂）=1.00mol/L-0.25mol/L=0.75mol/L，所以10min內(nèi)，v（CO₂）=$\frac{0.75mol/L}{10min}$=0.075mol/（L•min），反應(yīng)速率之比等于計(jì)量數(shù)之比，故v（H₂）=3v（CO₂）=3×0.075mol/（L•min）=0.225mol/（L•min），故答案為：0.225mol/（L•min）；
②縮小容器體積使壓強(qiáng)增大，平衡向氣體體積減小的方向即正反應(yīng)方向移動(dòng)；因?yàn)槠胶獬��?shù)K僅與溫度有關(guān)，所以溫度沒變，K不變，故答案為：正；不變；
（3）①甲池中一極通入甲烷，另一極通入氧氣，所以甲池為甲烷形成的燃料電池，通入甲烷的一極為負(fù)極，堿性條件下生成碳酸根，所以甲裝置中通入CH₄的電極反應(yīng)式為CH₄+10OH^--8e^-=CO₃^2-+7H₂O，故答案為：CH₄+10OH^--8e^-=CO₃^2-+7H₂O；
②乙裝置中B（Ag）的電極為陰極為陽離子得電子，A電極為陽極為陰離子失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，總反應(yīng)為電解硝酸銀溶液，離子方程式為：4Ag⁺+2H₂O$\frac{\underline{\;電解\;}}{\;}$4Ag+O₂↑+4H⁺；故答案為：4Ag⁺+2H₂O$\frac{\underline{\;電解\;}}{\;}$4Ag+O₂↑+4H⁺；
（3）設(shè)電解后氫氧化鈉的物質(zhì)的量濃度是xmol/L，丙池中產(chǎn)生112mL，則氫氣的體積與氯氣的體積相同均為56ml，
2NaCl+2H₂O $\frac{\underline{\;電解\;}}{\;}$H₂↑+Cl₂↑+2NaOH，
22.4L 2mol
0.056L 0.5xmol
則x=$\frac{2mol×0.056L}{22.4L×0.5mol}$=0.01mol/L
則C（H⁺）=10^-12 mol/L，所以溶液的pH=12，
故答案為：12；
（4）①K₂CO₃溶液發(fā)生水解反應(yīng)溶液呈堿性，方程式為：CO₃^2-+H₂O?HCO₃^-+OH^-；故答案為：CO₃^2-+H₂O?HCO₃^-+OH^-；
②若將等濃度的K₂CO₃ 和KHCO₃溶液等體積混合，CO₃^2-水解大于HCO₃^-離子的水解，溶液呈堿性，則
c（OH^-）＞c（H⁺），兩種鹽水解程度較小，則c（CO₃^2-）＞c（OH^-），故為c（K⁺）＞c（HCO₃^-）＞c（CO₃^2-）＞c（OH^-）＞c（H⁺），
故答案為：c（K⁺）＞c（HCO₃^-）＞c（CO₃^2-）＞c（OH^-）＞c（H⁺）；
③根據(jù)平衡常數(shù)K=$\frac{c（HCO{\;}_{3}{\;}^{-}）c（H{\;}^{+}）}{c（H{\;}_{2}CO{\;}_{3}）}$=$\frac{10{\;}^{-5.6}×10{\;}^{-5.6}}{1.5×10{\;}^{-5}}$=4.2×10^-7，故答案為：4.2×10^-7．

點(diǎn)評 本題考查較為全面，涉及熱化學(xué)方程式的計(jì)算、電化學(xué)知識(shí)等知識(shí)，為高考高頻考點(diǎn)，掌握反應(yīng)熱計(jì)算的方法、電化學(xué)原理尤為重要，題目難度中等．