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14.碳、氮及其化合物在工农业生产生活中有着重要作用.请回答下列问题:
(1)用CH4 催化还原NOx 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 还原NO2 至N2,整个过程中放出的热量为1734 kJ,则△H2=-1160kJ/mol;
(2)据报道,科学家在一定条件下利用Fe2O3与甲烷反应可制取“纳米级”的金属铁.其反应为:
Fe2O3(s)+3CH4(g)?2Fe(s)+3CO(g)+6H2(g)△H>0
①若反应在5L的密闭容器中进行,1min后达到平衡,测得Fe2O3在反应中质量减少3.2g.则该段时间内CO的平均反应速率为0.012mol/(L•min).
②若该反应在恒温恒压容器中进行,能表明该反应达到平衡状态的是bd
a.CH4的转化率等于CO的产率
b.混合气体的平均相对分子质量不变
c.v(CO)与v(H2)的比值不变
d.固体的总质量不变
③该反应达到平衡时某物理量随温度变化如图1所示,当温度由T1升高到T2时,平衡常数KA<KB(填“>”、“<”或“=”).纵坐标可以表示的物理量有哪些bc.
a.H2的逆反应速率
b.CH4的体积分数
c.混合气体的平均相对分子质量
d.CO的体积分数
(3)甲烷燃料电池可以提升能量利用率.如图2所示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-+10OH-=CO32-+7H2O.
②当A中消耗0.05mol氧气时,B中b极(填“a”或“b”)增重6.4g.
(4)工业合成氨气需要的反应条件非常高且产量低,而一些科学家采用高质子导电性的SCY陶瓷(能传递H+)实现氨的电化学合成,从而大大提高了氮气和氢气的转化率.电化学合成氨过程的总反应式为:N2+3H2$\stackrel{一定条件}{?}$2NH3,该过程中还原反应的方程式为N2+6H++6e-=2NH3

分析 (1)根据盖斯定律书写二氧化氮转化为氮气的热化学方程式,从而计算反应热;
(2)①结合题干计算铁物质的量,根据化学方程式定量关系计算甲烷消耗的物质的量,依据化学反应速率概念计算得到;
②反应达到平衡状态时,正逆反应速率相等,各组分浓度保持不变,据此分析;
③该反应是正反应气体体积增大的吸热反应,升温平衡正向移动,据此分析;
(3)①甲烷燃料碱性电池中,负极上甲烷失电子和氢氧根生成水和碳酸根;
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;
(4)根据题目信息以及阴极得电子发生还原反应.

解答 解:(1)CH4(g)+4NO2(g)=4NO(g)+CO2(g)+2H2O(g)△H1=-574kJ•mol-1
CH4(g)+4NO(g)=2N2(g)+CO2(g)+2H2O(g)△H2
若1mol CH4还原NO2至N2,整个过程中放出的热量为867kJ,
将热化学方程式$\frac{①+②}{2}$得热化学反应方程式为CH4(g)+2NO2(g)=N2(g)+CO2(g)+2H2O(g)△H=$\frac{-574+△{H}_{2}}{2}$kJ/mol=-867kJ/mol,△H2=-1160kJ/mol,
故答案为:-1160kJ/mol;
(2)①若反应在5L的密闭容器中进行,1min后达到平衡,测得Fe2O3在反应中质量减少3.2g的物质的量=$\frac{3.2g}{106g/mol}$=0.02mol,结合化学方程式,Fe2O3(s)+3CH4(g)═2Fe(s)+3CO(g)+6H2(g),计算反应的甲烷物质的量为0.06mol,则该段时间内CH4的平均反应速率=$\frac{\frac{0.06mol}{5L}}{1min}$=0.012mol/(L•min),
故答案为:0.012mol/(L•min);
②a.CH4的转化率与CO的产率与是否达到平衡状态无关,故a错误;
b.反应前后气体的物质的量和质量都不同,所以混合气体的平均相对分子质量不变说明反应达到平衡状态,故b正确;
c、v(CO)与v(H2)的比值始终不变,所以其不能说明反应达到平衡状态,故c错误;
d、固体的总质量不变,说明正逆反应速率相等,反应达到平衡状态,故d正确;故答案为:bd;
③Fe2O3(s)+3CH4(g)═2Fe(s)+3CO(g)+6H2(g)△H>0,反应是气体体积增大的吸热反应,升温平衡正向移动,平衡常数增大,KA<KB
a.H2的逆反应速率随温度的升高而增大,故a错误;
b.升温平衡正向移动,CH4的体积分数减小,故b正确;
c.升温平衡正向移动,混合气体的平均相对分子质量减小,故c正确;
d.升温平衡正向移动,CO的体积分数增大,故d错误;故答案为:<;bc;
(3)①甲烷燃料碱性电池中,负极上甲烷失电子和氢氧根生成水和碳酸根,电极反应为CH4-8e-+10OH-=CO32-+7H2O,故答案为:CH4-8e-+10OH-=CO32-+7H2O;
②A中消耗0.05mol氧气时,转移0.2mol电子,b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得析出Cu的质量=$\frac{0.2mol}{2}$×64g/mol=6.4g,故答案为:b;6.4;
(4)阴极得电子发生还原反应:N2+6H++6e-=2NH3,故答案为:N2+6H++6e-=2NH3

点评 本题综合考查学生有关电化学、热化学、化学反应速率和平衡的有关计算等知识,综合性较强,难度大.

练习册系列答案
相关习题

科目:高中化学 来源: 题型:选择题

9.关于SO2的下列叙述中,正确的是(  )
A.SO2在有的反应中显示氧化性,有的反应中显示还原性
B.SO2是酸性氧化物,溶于水生成稳定的亚硫酸
C.SO2气体通入Na0H溶液中一定得到Na2SO3
D.SO2气体通入BaCl2溶液中,能生成白色沉淀

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科目:高中化学 来源: 题型:填空题

5.现有下列短周期元素性质的有关数据:
元素符号abcdefgh
原子半径/mm0.0370.0710.0750.0820.1020.1430.1520.186
最高化合价或最低化合计+1-1-3+3-2+3+1+1
(1)根据元素周期律确定a至h 8种元素在周期表中的位置,将它们的元素编号填入下表相应的空格内.
族/周期ⅠAⅡAⅢAⅣAⅤAⅥAⅦA0
1        
2        
3        
(2)上述元素形成的氢化物中,分子间存在氢键的有(填氢化物的化学式)HF、NH3
(3)氢化铝锂(LiAlH4)是一种易燃易爆具有极强还原性的物质,它在有机合成上应用广泛.在125℃时氢化铝锂分解为氢气、金属铝及氢化锂(LiH).
①氢化铝锂易水解,最初得三种产物,请写出其水解反应方程式LiAlH4+4H2O=LiOH+Al(OH)3+4H2↑.
②与氢化铝锂性质相似但较为温和的还原剂由上述a、d、h三种元素组成,请写出这种还原剂的电子式.写出该物质受热分解的反应方程式:2NaBH4$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$2B+2NaH+3H2↑.
(4)原子数相同,电子总数相同的分子或离子互称等电子体.在元素周期表中,与碳相邻的两种元素可形成具有石墨型晶体结构的“白石墨”,“白石墨”和石墨具有等电子体特征,写出“白石墨”的最小结构单元-六元环的结构式

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科目:高中化学 来源: 题型:选择题

2.下列有关化学用语表述正确的是(  )
A.S2-的结构示意图:
B.CO2的比例模型:
C.邻羟基苯甲酸的结构简式:
D.质子数为79、中子数为118的金(Au)原子:${\;}_{79}^{118}$Au

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科目:高中化学 来源: 题型:选择题

9.下列有关气体摩尔体积的描述中正确的是(  )
A.气体摩尔体积一定都约为22.4 L/mol
B.通常状况(室温、101kP)下,气体摩尔体积约为22.4 L/mol
C.标准状况(0℃、101kP)下,气体摩尔体积约为22.4 L/mol
D.标准状况(0℃、101kP)下,1 mol H2O的体积是22.4 L

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科目:高中化学 来源: 题型:选择题

19.氟氧酸是较新颖的氧化剂,应用性极强,可用被氮气稀释的氟气在细冰上缓慢通过制得:F2+H2O=HOF+HF.该反应中水的作用与下列反应中水的作用相同的是(  )
A.钠与水反应制氢气B.过氧化钠与水反应制氧气
C.氯气与水反应制次氯酸D.氟单质与水反应制氧气

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科目:高中化学 来源: 题型:填空题

6.(1)标准状况下,0.2mol NH3与3.6g H2O的电子数相等.
(2)含有相同氧原子数的CO和CO2,其质量比为14:11.
(3)已知14g A和40g B恰好完全反应生成0.25mol C和38g D,则C的摩尔质量72g/mol.
(4)已知V mLAl2(SO43溶液中含Al3+a g,则溶液中SO42-的物质的量浓度是$\frac{1000a}{18V}$mol/L.

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科目:高中化学 来源: 题型:解答题

3.已知A、B、C、D、E、F、G、H可以发生如图所示的转化,反应中部分生成物已略去.其中,A、G均为第ⅤA族素的单质,B、C、H在通常情况下为气体,化合物C是一种形成酸雨的大气污染物.

请填空:
(1)反应③的化学方程式是C+2H2SO4(浓)$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$CO2↑+2SO2↑+2H2O.
(2)反应④的离子方程式是SiO32-+CO2+H2O=H2SiO3↓+CO32-..

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科目:高中化学 来源: 题型:选择题

4.用NA表示阿伏加德罗常数的值.下列说法正确的是(  )
A.1 mol Cl2完全反应转移的电子数一定是2NA
B.标准状况下,22.4 L CCl4中含有的分子数为NA
C.1 L 0.1 mol•L-1乙醇溶液中含有的氧原子数为0.1NA
D.4 g氦气中含有的分子数和原子数均为NA

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