Question

14．目前，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）反應生成N₂（g）、CO₂（g）和H₂O（l）的熱化學方程式
CH₄（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（1），△H=-955kJ•mol^-1．
（2）用活性炭還原法處理氮氧化物．有關反應為：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，反應進行到不同時間測得各物質的濃度如下

濃度/mol•L-1 時間/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不能作為判斷反應達到化學平衡狀態的依據是BC
A．容器內CO₂的濃度保持不變          B．v_正（N₂）=2v_正（NO）
C．容器內壓強保持不變               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量保持不變
②在該溫度下時．該反應的平衡常數為0.56（保留兩位小數）；
③在30min，改變某一條件，反應重新達到平衡，則改變的條件是分離出了二氧化碳．
（3）甲烷燃料電池可以提升能量利用率，下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甲烷燃料電池的負極反應式是CH₄-8e^-+10OH^-=CO₃^2-+7H₂O
②當A中消耗0.15mol氧氣時，B中b（用a或b 表示）極增重6.4g．

Answer 1

分析 （1）CH₄（g）與NO₂（g）反應生成N₂（g）、CO₂（g）和H₂O（l）的化學方程式為：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，根據所給的反應來構建目標反應；
（2）①依據化學平衡狀態的實質是正逆反應速率相等，結合反應特征分析判斷；
②當20-30min時，各物質的物質的量不變，則該反應達到平衡狀態，根據K=$\frac{c（C{O}_{2}）•c（{N}_{2}）}{{c}^{2}（NO）}$計算；
③根據表中數值知，NO、二氧化碳的濃度減小，氮氣的濃度增大，說明改變條件是分離出二氧化碳物質；
（3）①甲烷燃料堿性電池中，負極上甲烷失電子和氫氧根離子反應生成碳酸根離子和水，正極上氧氣得電子和水生成氫氧根離子；
②電解池中，陰極上電極反應式為Cu ²⁺+2e^-=Cu，陽極上電極反應式為2Cl^--2e^-=Cl₂↑，根據串聯電路中轉移電子相等計算析出銅的質量．

解答 解：（1）CH₄（g）與NO₂（g）反應生成N₂（g）、CO₂（g）和H₂O（l）的化學方程式為：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，
將$\frac{①+②-③×4}{2}$可得：CH₄（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（1），△H=$\frac{（-574KJ/mol）+（-1160KJ/mol）-（-44KJ/mol）×4}{2}$=-955KJ/mol，故答案為：CH₄（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（1），△H=-955 kJ•mol^-1；
（2）①C（s）+2NO（g）?N₂（g）+CO₂（g），反應是氣體體積不變的反應；
A．容器內CO₂的濃度不變，說明反應達到平衡，故A正確；
B．反應速率之比等于化學方程式系數之比，當v_正（NO）=2v_逆（NO），反應達到平衡，v_正（NO）=2v_正（NO）只能說明反應正向進行，故B錯誤；
C．反應是氣體體積不變的反應，反應過程中和反應平衡狀態壓強相同，所以容器內壓強保持不變不能說明反應達到平衡，故C錯誤；
D．混合氣體密度等于質量除以體積，反應中碳是固體，平衡移動氣體質量變化，體積不變，所以混合氣體的密度保持不變，說明反應達到平衡，故D正確；
E．混合氣體的平均相對分子質量=$\frac{{m}_{總}}{{n}_{總}}$，此反應前后氣體的物質的量不變，但氣體的質量改變，故當未達平衡時，混合氣體的相對分子質量在改變，則當混合氣體的平均相對分子質量保持不變時，反應達平衡，故E正確．
故選BC；
②當20-30min時，各物質的物質的量不變，則該反應達到平衡狀態，K=$\frac{c（C{O}_{2}）•c（{N}_{2}）}{{c}^{2}（NO）}$=$\frac{0.03×0.03}{0.0{4}^{2}}$=0.56，故答案為：0.56；
③根據表中數值知，NO、二氧化碳的濃度減小，氮氣的濃度增大，說明改變條件是分離出二氧化碳物質，故答案為：分離出了二氧化碳；
（3）①甲烷堿性燃料電池中，負極上電極反應式為CH₄-8e^-+10OH^-=CO₃^2-+7H₂O，正極上電極反應式為 O₂+2H₂O+4e^-=4OH^-，故答案為：CH₄-8e^-+10OH^-=CO₃^2-+7H₂O；
②電解池中，陰極上電極反應式為Cu ²⁺+2e^-=Cu，陽極上電極反應式為2Cl^--2e^-=Cl₂↑，連接原電池負極的是陰極，所以B中析出金屬的是b電極，當A中消耗0.15mol氧氣時，轉移電子的物質的量=0.15mol×4=0.6mol，n（Cu ²⁺ ）=2mol/L×0.05L=0.1mol，銅離子完全析出需要0.2mol電子，串聯電路中轉移電子相等，b電極上析出銅和氫氣，所以析出銅的質量=0.1mol×64g/mol=6.4g，
故答案為：b；6.4．

點評 本題考查較綜合，涉及原電池和蓋斯定律等知識點，明確平衡常數的計算、平衡移動的方向和蓋斯定律、原電池和電解池原理即可解答，綜合性較強，難度適中．