Question

2．汽車尾氣作為空氣污染的主要來源之一，其中含有大量的有害物質，包括CO、NO_x、碳氫化合物和固體懸浮顆粒等．為汽車尾氣的治理，環境工作者面臨著巨大的挑戰．試回答以下問題：

（1）用CH₄催化還原NO，可以消除氮氧化物的污染．已知：
①CH₄（g）+4NO（g）═2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-1160kJ•mol^-1
②CH₄（g）+4NO₂（g）═4NO（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-574kJ•mol^-1
由CH₄將NO₂完全還原成N₂，生成CO₂和水蒸氣的熱化學方程式是CH₄（g）+2NO₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（g）+N₂（g）△H=-867kJ•mol^-1．
（2）NO_x也可以被NaOH溶液吸收而生成NaNO₃、NaNO₂，已知某溫度下，HNO₂的電離常數K=-9.7×10^-4，NO₂^-的水解常數K=-8.0×10^-10，則該溫度下水的離子積常數=K_a×K_h（用含K_a、K_b的代數式表示），此時溶液的溫度＞25℃（填“＞”“＜”或“=”）．
（3）化工上利用CO合成甲醇，反應的熱化學方程式為CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H=-90.8kJ•mol^-1．不同溫度下，CO的平衡轉化率與壓強的關系如圖1所示，圖中T₁、T₂、T₃的高低順序是T₁＜T₂＜T₃，理由是該反應為放熱，溫度越高，反應物的轉化率越低．
（4）化工上還可以利用CH₃OH生產CH₃OCH₃．在體積均為1.0L的恒容密閉容器中發生反應2CH₃OH（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）．

容器換號	溫度（℃）	起始物質的量（mol）	平衡物質的量（mol）
		CH3OH（g）	CH3OCH2（g）	H2O（g）
Ⅰ	387	0.20	0.080	0.080
Ⅱ	207	0.20	0.090	0.090

該反應的正反應放熱為反應（填“放熱”或“吸熱”）．若起始時向容器I中充入CH₃OH 0.15mol、CH₃OCH₃0.15mol和H₂O 0.10mol，則反應將向正方向進行（填“正”或“逆”）．
（5）CH₃OH燃料電池在便攜式通訊設備、汽車等領域有著廣泛的應用．已知電池工作時的總反應方程式為2CH₃OH+3O₂═2CO₂+4H₂O，電池工作時的示意圖如圖2所示．質子穿過交換膜移向N電極區（填“M”或“N”），負極的電極反應式為CH₃OH+H₂O-6e^-=CO₂+6H⁺．

Answer 1

分析 （1）CH₄（g）+4NO₂（g）?4NO（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-574kJ•mol^-1①
CH₄（g）+4NO（g）?2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-1160kJ•mol^-1②
將方程式 $\frac{①+②}{2}$得甲烷直接將NO₂還原為N₂的熱化學方程式；
（2）依據亞硝酸根離子水解平衡常數表達式變式計算分析；
（3）正反應放熱，則升高溫度CO的轉化率降低；
（4）對比I、Ⅱ可知，升高溫度CH₃OCH₃（g）的物質的量減小，說明平衡逆向移動，而升高溫度平衡向吸熱反應移動；
根據I中數據計算平衡常數，計算此時濃度商Qc，若Qc=K，處于平衡狀態，若Qc＜K，反應向正反應進行，若Qc＞K，反應向逆反應進行；
（5）原電池中陽離子移向正極，負極是甲醇失電子發生氧化反應，依據電池反應和酸性環境，2CH₃OH+3O₂=2CO₂+4H₂O，負極電極反應為：CH₃OH+H₂O-6e^-=CO₂+6H⁺，正極是氧氣得到電子發生還原反應，氧氣得到電子生成氫氧根離子，在圖中是酸性介質，電極反應產物應寫成水的形式；電池的正極反應式為：O₂+4H⁺+4e^-=2H₂O；

解答 解：（1）CH₄（g）+4NO₂（g）?4NO（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-574kJ•mol^-1①
CH₄（g）+4NO（g）?2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-1160kJ•mol^-1②
將方程式$\frac{①+②}{2}$CH₄（g）+2NO₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（g）+N₂（g）△H=$\frac{-574-1160}{2}$kJ/mol=-867kJ•mol^-1，
故答案為：CH₄（g）+2NO₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（g）+N₂（g）△H=-867kJ•mol^-1；
（2）NO₂^-+H₂O?HNO₂+OH^-，Kh=$\frac{c（HN{O}_{2}）c（O{H}^{-}）}{c（N{{O}_{2}}^{-}）}$=$\frac{c（HN{O}_{2}）c（O{H}^{-}）}{c（N{{O}_{2}}^{-}）}$×$\frac{c（{H}^{+}）}{C（{H}^{+}）}$=$\frac{Kw}{Ka}$，則Kw=Kh×Ka=8.0×10^-10mol•L^-1×9.7×10^-4mol•L^-1=7.76×10^-13，＞常溫下Kw=10^-14，溫度高于常溫，＞25°C，
故答案為：K_a×K；＞；
（3）根據該反應為放熱反應，溫度越高CO的轉化率越小，圖中T₁、T₂、T₃的高低順序T₁＜T₂＜T₃，
故答案為：T₁＜T₂＜T₃，該反應為放熱，溫度越高，反應物的轉化率越低；
（4）對比I、Ⅱ可知，升高溫度CH₃OCH₃（g）的物質的量減小，說明平衡逆向移動，而升高溫度平衡向吸熱反應移動，則正反應為放熱反應，容器Ⅰ中平衡時c（CH₃OCH₃）=c（H₂O）=$\frac{0.08mol}{1L}$=0.080mol/L，c（CH₃OH）=$\frac{0.2mol-0.08mol×2}{1L}$=0.04mol/L，容器Ⅰ中化學平衡常數K₁=$\frac{0.08×0.08}{0.0{4}^{2}}$=4，此時濃度商Qc=$\frac{0.15×0.1}{0.1{5}^{2}}$=0.67＜K=4，反應向正反應進行，
故答案為：放熱，正；
（5）圖分析可知a端電極N為正極，質子穿過交換膜移向N電極，M電極為負極，負極是甲醇失電子發生氧化反應，依據電池反應和酸性環境，2CH₃OH+3O₂=2CO₂+4H₂O，負極電極反應為：CH₃OH+H₂O-6e^-=CO₂+6H⁺，故答案為：N，CH₃OH+H₂O-6e^-=CO₂+6H⁺．

點評 本題目綜合考查蓋斯定律的應用、化學反應平衡常數的計算和應用、圖象分析判斷等方面的知識，側重于影響平衡移動及平衡常數的因素的考查，注意知識的歸納和整理是關鍵，題目難度中等．注意料電池反應的特點．