Question

14．碳、氮及其化合物在工農業生產生活中有著重要作用．請回答下列問題：
（1）用CH₄ 催化還原NO_x 可以消除氮氧化物的污染．例如：
CH₄（g）+4NO₂（g）=4NO（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₁=-574 kJ•molˉ¹
CH₄（g）+4NO（g）=2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₂
若2 mol CH₄ 還原NO₂ 至N₂，整個過程中放出的熱量為1734 kJ，則△H₂=-1160kJ/mol；
（2）據報道，科學家在一定條件下利用Fe₂O₃與甲烷反應可制取“納米級”的金屬鐵．其反應為：
Fe₂O₃（s）+3CH₄（g）?2Fe（s）+3CO（g）+6H₂（g）△H＞0
①若反應在5L的密閉容器中進行，1min后達到平衡，測得Fe₂O₃在反應中質量減少3.2g．則該段時間內CO的平均反應速率為0.012mol/（L•min）．
②若該反應在恒溫恒壓容器中進行，能表明該反應達到平衡狀態的是bd
a．CH₄的轉化率等于CO的產率
b．混合氣體的平均相對分子質量不變
c．v（CO）與v（H₂）的比值不變
d．固體的總質量不變
③該反應達到平衡時某物理量隨溫度變化如圖1所示，當溫度由T₁升高到T₂時，平衡常數K_A＜K_B（填“＞”、“＜”或“=”）．縱坐標可以表示的物理量有哪些bc．
a．H₂的逆反應速率
b．CH₄的體積分數
c．混合氣體的平均相對分子質量
d．CO的體積分數
（3）甲烷燃料電池可以提升能量利用率．如圖2所示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0.05mol氧氣時，B中b極（填“a”或“b”）增重6.4g．
（4）工業合成氨氣需要的反應條件非常高且產量低，而一些科學家采用高質子導電性的SCY陶瓷（能傳遞H⁺）實現氨的電化學合成，從而大大提高了氮氣和氫氣的轉化率．電化學合成氨過程的總反應式為：N₂+3H₂$\stackrel{一定條件}{?}$2NH₃，該過程中還原反應的方程式為N₂+6H⁺+6e^-=2NH₃．

Answer 1

分析 （1）根據蓋斯定律書寫二氧化氮轉化為氮氣的熱化學方程式，從而計算反應熱；
（2）①結合題干計算鐵物質的量，根據化學方程式定量關系計算甲烷消耗的物質的量，依據化學反應速率概念計算得到；
②反應達到平衡狀態時，正逆反應速率相等，各組分濃度保持不變，據此分析；
③該反應是正反應氣體體積增大的吸熱反應，升溫平衡正向移動，據此分析；
（3）①甲烷燃料堿性電池中，負極上甲烷失電子和氫氧根生成水和碳酸根；
②b電極為陰極，陰極上銅離子放電生成Cu，根據Cu和轉移電子之間的關系式計算；
（4）根據題目信息以及陰極得電子發生還原反應．

解答 解：（1）CH₄（g）+4NO₂（g）=4NO（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₁=-574kJ•mol^-1①
CH₄（g）+4NO（g）=2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₂②
若1mol CH₄還原NO₂至N₂，整個過程中放出的熱量為867kJ，
將熱化學方程式$\frac{①+②}{2}$得熱化學反應方程式為CH₄（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=$\frac{-574+△{H}_{2}}{2}$kJ/mol=-867kJ/mol，△H₂=-1160kJ/mol，
故答案為：-1160kJ/mol；
（2）①若反應在5L的密閉容器中進行，1min后達到平衡，測得Fe₂O₃在反應中質量減少3.2g的物質的量=$\frac{3.2g}{106g/mol}$=0.02mol，結合化學方程式，Fe₂O₃（s）+3CH₄（g）═2Fe（s）+3CO（g）+6H₂（g），計算反應的甲烷物質的量為0.06mol，則該段時間內CH₄的平均反應速率=$\frac{\frac{0.06mol}{5L}}{1min}$=0.012mol/（L•min），
故答案為：0.012mol/（L•min）；
②a．CH₄的轉化率與CO的產率與是否達到平衡狀態無關，故a錯誤；
b．反應前后氣體的物質的量和質量都不同，所以混合氣體的平均相對分子質量不變說明反應達到平衡狀態，故b正確；
c、v（CO）與v（H₂）的比值始終不變，所以其不能說明反應達到平衡狀態，故c錯誤；
d、固體的總質量不變，說明正逆反應速率相等，反應達到平衡狀態，故d正確；故答案為：bd；
③Fe₂O₃（s）+3CH₄（g）═2Fe（s）+3CO（g）+6H₂（g）△H＞0，反應是氣體體積增大的吸熱反應，升溫平衡正向移動，平衡常數增大，K_A＜K_B；
a．H₂的逆反應速率隨溫度的升高而增大，故a錯誤；
b．升溫平衡正向移動，CH₄的體積分數減小，故b正確；
c．升溫平衡正向移動，混合氣體的平均相對分子質量減小，故c正確；
d．升溫平衡正向移動，CO的體積分數增大，故d錯誤；故答案為：＜；bc；
（3）①甲烷燃料堿性電池中，負極上甲烷失電子和氫氧根生成水和碳酸根，電極反應為CH₄-8e^-+10OH^-=CO₃^2-+7H₂O，故答案為：CH₄-8e^-+10OH^-=CO₃^2-+7H₂O；
②A中消耗0.05mol氧氣時，轉移0.2mol電子，b電極為陰極，陰極上銅離子放電生成Cu，根據Cu和轉移電子之間的關系式得析出Cu的質量=$\frac{0.2mol}{2}$×64g/mol=6.4g，故答案為：b；6.4；
（4）陰極得電子發生還原反應：N₂+6H⁺+6e^-=2NH₃，故答案為：N₂+6H⁺+6e^-=2NH₃．

點評 本題綜合考查學生有關電化學、熱化學、化學反應速率和平衡的有關計算等知識，綜合性較強，難度大．