Question

20．消除氮氧化物污染有多种方法．
（1）用CH₄催化还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
写出CH₄（g）与NO₂（g）反应生成N₂（g）、CO₂（g）和H₂O（l）的热化学方程式CH₄（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（1），△H=-955 kJ•mol^-1．
（2）用活性炭还原法处理氮氧化物．有关反应为：C（s）+2NO（g）?N₂ （g）+CO₂ （g）某研究小组向恒容密闭容器加入一定量的活性炭和NO，恒温条件下反应，反应进行到不同时间测得各物质的浓度如下

浓度/mol•L-1 时间/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不能作为判断反应达到化学平衡状态的依据是B C
A．容器内CO₂的浓度保持不变 B．v_正（N₂）=2v_正（NO） C．容器内压强保持不变 D．混合气体的密度保持不变 E．混合气体的平均相对分子质量保持不变
②计算该温度下该反应的平衡常数为0.56（保留两位小数）；
③在30min，改变某一条件，反应重新达到平衡，则改变的条件是减小CO₂浓度．
（3）甲烷燃料电池可以提升能量利用率，如图是利用甲烷燃料电池电解50mL2mol/L的氯化铜溶液的装置示意图：

请回答：
①甲烷燃料电池的负极反应式是CH₄-8e^─+2H₂O=CO₂+8H⁺
②当A中消耗0.15mol氧气时，B中b（用a或b 表示）极增重19.2g．

Answer 1

分析 （1）依据热化学方程式和盖斯定律计算[①+②+③×4]×$\frac{1}{2}$得到CH₄（g）与NO₂（g）反应生成N₂（g）、CO₂（g）和H₂O（l）的热化学方程式；
（2）①依据化学平衡状态的实质是正逆反应速率相等，结合反应特征分析判断，由正逆反应速率相同衍生的关系，变量不变说明反应达到平衡状态；
②20min-30min反应达到平衡，图表中得到平衡浓度，依据平衡常数的概念计算得到；
③依据图表数据变化分析，30min末一氧化氮和二氧化碳浓度减小，氮气浓度增大，结合计算平衡常数和浓度变化分析判断；改变的条件可能是减小二氧化碳浓度；
（3）①甲烷燃料酸性电池中，负极上甲烷失电子生成水和二氧化碳，结合电荷守恒和原子守恒书写电极反应；
②b电极为阴极，阴极上铜离子放电生成Cu，根据Cu和转移电子之间的关系式计算；

解答 解：（1）①CH₄（g）+4NO₂（g）═4NO（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-574kJ•mol^-l
②CH₄（g）+4NO（g）═2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂ O（g）△H=-1160kJ•mol^-l
③H₂O（g）═H₂O（l）△H=-44.0kJ•mol^-l
依据盖斯定律计算[①+②+③×4]×$\frac{1}{2}$得到CH₄（g）与NO₂（g）反应生成N₂（g）、CO₂（g）和H₂O（l）的热化学方程式：CH₄（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-955 kJ•mol^-1；
故答案为：CH₄（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-955 kJ•mol^-1；
（2）①C（s）+2NO（g）?N₂（g）+CO₂（g）．反应是气体体积不变的反应；
A．容器内CO₂的浓度保持不变说明反应达到平衡状态，故A正确；
B．反应速率之比等于化学方程式系数之比，当v_正（NO）=2v_逆（N₂），反应达到平衡，v_正（NO）=2v_正（N₂）z只能说明反应正向进行，故B错误；
C．反应是气体体积不变的反应，反应过程中和反应平衡状态压强相同，所以容器内压强保持不变不能说明反应达到平衡，故C错误；
D．混合气体密度等于质量除以体积，反应中碳是固体，平衡移动气体质量变化，体积不变，所以混合气体的密度保持不变，说明反应达到平衡，故D正确；
E．混合气体的平均相对分子质量等于气体总质量除以总物质的量，反应中碳是固体，平衡移动，气体质量发生变化，气体物质的量不变，混合气体的平均相对分子质量保持不变，说明反应达到平衡状态，故E正确；
故选BC；
②20-30min反应达到平衡状态，C（s）+2NO（g）?N₂ （g）+CO₂ （g），各物质的平衡浓度为：c（CO₂）=c（N₂）=0.3mol/L；c（NO）=0.4mol/L，反应的平衡常数为：K=$\frac{[C{O}_{2}][{N}_{2}]}{[NO]^{2}}$=$\frac{0.3×0.3}{0．{4}^{2}}$=0.56，故答案为：0.56；
③30min时改变某一条件，反应重新达到平衡，依据平衡常数计算得到c（N₂）=0.34mol/L；c（CO₂）=0.17mol/L；c（NO）=0.32mol/L；K=$\frac{[C{O}_{2}][{N}_{2}]}{[NO]^{2}}$=$\frac{0.34×0.17}{0.3{2}^{2}}$=0.56，化学平衡常数随温度变化，平衡常数不变说明改变的条件一定不是温度，依据数据分析，氮气浓度增大，二氧化碳和一氧化氮浓度减小，反应前后气体体积不变，所以减小二氧化碳浓度，平衡正向进行的结果，故答案为：减小二氧化碳浓度；
（3）①甲烷燃料酸性电池中，负极上甲烷失电子生成水和二氧化碳，电极反应为CH₄-8e^─+2H₂O=CO₂+8H⁺，故答案为：CH₄-8e^─+2H₂O=CO₂+8H⁺；
②A中消耗0.15mol氧气时，O₂+2H₂O+4e^-=4OH^-，转移0.6mol电子，b电极为阴极，阴极上铜离子放电生成Cu，Cu²⁺+2e^-=Cu，根据Cu和转移电子之间的关系式得析出Cu的质量=$\frac{0.6mol}{2}$×1×64g/mol=19.2g，故答案为：b；19.2；

点评 本题考查了热化学方程式和盖斯定律的计算应用，化学反应速率、化学平衡常数及其化学平衡影响因素和平衡标志的分析判断，数值的处理和判断是解题关键，题目难度中等．