Question

18．工業上產生的氮氧化物可用天然氣來處理．
Ⅰ．已知：CH₄（g）+2O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（l）△H₁
        N₂（g）+2O₂（g）=2NO₂（g）△H₂
        H₂O（l）=H₂O（g）△H₃
        CH₄（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=△H₁-△H₂+2△H₃（用△H₁、△H₂、△H₃）
Ⅱ．在溫度為T₁℃和T₂℃時，分別將0.50molCH₄和1.2molNO₂充入體積固定的2L密閉容器中，發生上述可逆反應，測得不同時刻的n（CH₄）數據如下表：

溫度	時間/min n/mol	0	10	20	40	50
T1℃	n（CH4）	0.50	0.35	0.25	0.10	0.10
T2℃	n（CH4）	0.50	0.30	0.18	0.15	0.15

（1）分析上表中數據，下列說法正確的是BC
A．T₁℃、前10min，V（NO₂）=0.03mol/（L•min）
B．T₁℃、反應達化學平衡狀態時，CH₄的轉化率為80%
C．T₂℃、反應在40min時處于平衡狀態
D．T₁＞T₂
（2）反應的平衡常數K（T₁）＞K（T₂），△H＜0，理由是由表中數據可知，T₂時反應速率較大，所以T₁＜T₂；升高溫度平衡逆向移動，可知K（T₁）＞K（T₂），所以正反應放熱．
（3）T₁℃時反應的平衡常數K為3.2．
（4）反應在T₁℃下進行，50min時，向平衡后的容器中再通入0.10molCH₄和0.40molNO₂，在下圖中畫出恒溫，重新達到平衡過程中n（CH₄）隨時間變化的曲線（只要求畫出n（CH₄）的變化趨勢，不需要準確畫出再次平衡后n（CH₄）．
Ⅲ．NO₂、O₂和熔融NaNO₃可制作燃料電池，其原理見下圖．該電池在使用過程中石墨Ⅰ電極上生成氧化物Y，其電極反應式為NO₂-e^-+NO₃^-=N₂O₅．

Answer 1

分析 Ⅰ．已知：①CH₄（g）+2O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（l）△H₁
②N₂（g）+2O₂（g）=2NO₂（g）△H₂
③H₂O（l）=H₂O（g）△H₃
根據蓋斯定律，①-②+③×2可得：CH₄（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）；
Ⅱ．（1）A．根據v=$\frac{△c}{△t}$計算v（CH₄），再根據速率之比等于化學計量數之比計算v（NO₂）；
B．T₁℃時，40min反應處于化學平衡狀態，可知參加反應甲烷為0.5mol-0.1mol=0.4mol，再計算CH₄的轉化率；
C．T₂℃時，反應在40min、50min時甲烷均為0.15mol，則40min處于平衡狀態；
D．溫度越高，反應速率越快，相同時間內參加反應的甲烷越多；
（2）前10min內，溫度T₂℃時參加反應的甲烷更多，故溫度T₂＞T₁，而平衡時溫度T₂℃時甲烷的物質的量更大，說明升高溫度平衡向逆反應移動，正反應為放熱反應；
（3）T₁℃時，平衡時甲烷為0.1mol，則：
          CH₄（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）
開始（mol）：0.5     1.2       0      0        0
轉化（mol）：0.4     0.8       0.4    0.4      0.8
平衡（mol）：0.1     0.4       0.4    0.4      0.8
再根據平衡常數表達式K=$\frac{c（{N}_{2}）×c（C{O}_{2}）×{c}^{2}（{H}_{2}O）}{c（C{H}_{4}）×{c}^{2}（N{O}_{2}）}$計算；
（4）反應在T₁℃下進行，50min時，向平衡后的容器中再通入0.10molCH₄和0.40molNO₂，瞬間甲烷的物質的量變為0.2mol，而后平衡向正反應方向移動，甲烷的物質的量減小，但到達新平衡時甲烷的物質的量大于0.1mol；
Ⅲ．NO₂、O₂和熔融NaNO₃可制作燃料電池，該電池在使用過程中石墨Ⅰ電極上生成氧化物Y，Y為五氧化二氮，石墨I上是二氧化氮失去電子，與硝酸根離子反應生成五氧化二氮，石墨II上是氧氣獲得電子，與五氧化二氮獲反應生成硝酸根．

解答 解：Ⅰ．已知：①CH₄（g）+2O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（l）△H₁
②N₂（g）+2O₂（g）=2NO₂（g）△H₂
③H₂O（l）=H₂O（g）△H₃
根據蓋斯定律，①-②+③×2可得：CH₄（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g），則△H=△H₁-△H₂+2△H₃，
故答案為：△H₁-△H₂+2△H₃；
Ⅱ（1）A．前10min內v（CH₄）=$\frac{\frac{0.5mol-0.35mol}{2L}}{10min}$=0.0075mol/（L．min），速率之比等于化學計量數之比，則v（NO₂）=2v（CH₄）=0.015mol/（L．min），故A錯誤；
B．T₁℃時，40min反應處于化學平衡狀態，可知參加反應甲烷為0.5mol-0.1mol=0.4mol，CH₄的轉化率為$\frac{0.4mol}{0.5mol}$×100%=80%，故B正確；
C．T₂℃時，反應在40min、50min時甲烷均為0.15mol，則40min處于平衡狀態，故C正確；
D．前10min內T₂℃時參加反應的甲烷越多，反應速率快，故溫度T₁＜T₂，故D錯誤，
故選：BC；
（2）前10min內，溫度T₂℃時參加反應的甲烷更多，故溫度T₂＞T₁，而平衡時溫度T₂℃時甲烷的物質的量更大，說明升高溫度平衡向逆反應移動，正反應為放熱反應，故平衡常數：K（T₁）＞K（T₂），△H＜0，
故答案為：＞；＜；由表中數據可知，T₂時反應速率較大，所以T₁＜T₂；升高溫度平衡逆向移動，可知K（T₁）＞K（T₂），所以正反應放熱；
（3）T₁℃時，平衡時甲烷為0.1mol，則：
          CH₄（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）
開始（mol）：0.5     1.2      0       0        0
轉化（mol）：0.4     0.8      0.4     0.4     0.8
平衡（mol）：0.1     0.4      0.4     0.4     0.8
則平衡常數K=$\frac{c（{N}_{2}）×c（C{O}_{2}）×{c}^{2}（{H}_{2}O）}{c（C{H}_{4}）×{c}^{2}（N{O}_{2}）}$=$\frac{\frac{0.4}{2}×\frac{0.4}{2}×（\frac{0.8}{2}）^{2}}{\frac{0.1}{2}×（\frac{0.4}{2}）^{2}}$=3.2，
故答案為：3.2；
（4）反應在T₁℃下進行，50min時，向平衡后的容器中再通入0.10molCH₄和0.40molNO₂，瞬間甲烷的物質的量變為0.2mol，而后平衡向正反應方向移動，甲烷的物質的量減小，但到達新平衡時甲烷的物質的量大于0.1mol，重新達到平衡過程中n（CH₄）隨時間變化的曲線的變化趨勢：，
故答案為：；
Ⅲ．NO₂、O₂和熔融NaNO₃可制作燃料電池，該電池在使用過程中石墨Ⅰ電極上生成氧化物Y，Y為五氧化二氮，石墨I上是二氧化氮失去電子，與硝酸根離子反應生成五氧化二氮，石墨II上是氧氣獲得電子，與五氧化二氮獲反應生成硝酸根，石墨I上電極反應式為：NO₂-e^-+NO₃^-=N₂O₅，
故答案為：NO₂-e^-+NO₃^-=N₂O₅．

點評 本題考查化學平衡計算、化學平衡影響因素、反應熱計算、電極反應式書寫等，需要學生具備扎實的基礎與靈活運用知識的能力，難度中等．