Question

4．自2013年以来我国“雾霾”污染日益严重．中科院“大气灰霾追因与控制”项目针对北京强霾过程进行分析，强霾过程中，出现了大量有毒有害的含氮有机颗粒物．燃煤和机动车尾气是氮氧化物的上要来源．现在对其中的一些气休进行了一定的研究：
（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）+2H₂O（g）△H=-574kJ•mol^-l
②CH₄（g）+4NO（g）═2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-1160kJ•mol^-l
③H₂O（g）═H₂O（1）△H=-44.0kJ•mol^-l
写出CH₄（g）与NO₂（g）反应生成N₂（g）、CO₂（g）和H₂O（1）的热化学方程式CH₄（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-955kJ/mol．
（2）为了减轻大气污染，人们提出在汽车尾气排气管口采用催化剂将NO和CO转化成无污染气体参与大气循环．T℃时，将等物质的量的NO和CO充入容积为2L的密闭容器中，保持温度和体积不变，反应过程中NO的物质的量随时间变化如1图所示．

①写出该反应的化学方程式2NO+2CO?N₂+2CO₂．
②10min内该反应的速率v（N₂）=0.005mol/（L•min）；该反应达平衡时CO的转化率为50%；T℃时该化学反应的平衡常数K=5L/mol．
③若该反应△H＜0，在恒容的密闭容器中，反应达平衡后，改变某一条件，图2示意图正确的是c．
④一定温度下，在恒容密闭容器中充入一定量NO和CO进行该反应，能判断反应已达到化学平衡状态的是a、b．
a．容器中压强不再变化         b．CO₂的浓度不再改变
c．2v正（NO）=v逆（N₂）d．气体的密度保持不变
（3）以燃料电池为代表的新能源的推广使用能大大降低污染物的排放．如图是一种甲醚燃料电池结构，请写出该电池负极的电极反应式CH₃OCH₃-12e^-+16OH^-=2CO₃^2-+11H₂O．

Answer 1

分析 （1）CH₄（g）与NO₂（g）反应生成N₂（g）、CO₂（g）和H₂O（1）的化学方程式为：CH₄（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+CO₂（g）+4H₂O（l），该反应可由已知热效应的方程式推导，根据盖斯定律计算该反应的焓变；
（2）①将NO和CO转化成无污染气体参与大气循环，则产生的无污染的气体为N₂和CO₂，根据图象分析，反应为可逆反应，NO并未完全反应，据此写出反应的方程式；
②10min时，NO的物质的量变化为△n（NO）=0.4mol-0.2mol=0.2mol，容器体积为V=2L，根据化学反应平均速率的公式v（NO）=$\frac{△n（NO）}{V△t}$计算NO的平均速率，化学反应速率之比等于化学计量数之比计算N₂的平均速率，反应是将等物质的量的NO和CO冲入容器反应的，据此计算CO的平衡转化率，将各组分的平衡浓度代入平衡常数表达式计算反应的化学平衡常数；
③若该反应△H＜0，则该反应为放热反应，降低温度有利于反应向正反应方向移动，结合反应的气体分子数变化考虑改变条件对化学平衡的影响，据此分析；
④一定温度下，在恒容密闭容器中充入一定量NO和CO进行该反应，结合常用的判断化学平衡的判据，温度变化，压强变化，速率变化，据此逐项分析化学平衡状态的判断；
（3）甲醚燃料电池，原电池负极为物质失去电子，发生氧化反应，结合装置图提供的信息，据此写出负极的电极反应式．

解答 解：（1）已知：①CH₄（g）+4NO₂（g）═4NO（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₁=-574kJ/mol，
                        ②CH₄（g）+4NO（g）═2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₂=-1160kJ/mol，
                        ③H₂O（g）═H₂O（1）△H₃=-44.0kJ/mol，
CH₄（g）与NO₂（g）反应生成N₂（g）、CO₂（g）和H₂O（1）的化学方程式为：CH₄（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（l），该反应可由$\frac{①+②}{2}+③×2$得到，根据盖斯定律，该反应的焓变$△H=\frac{△{H}_{1}+△{H}_{2}}{2}+2△{H}_{3}$=$\frac{-574-1160}{2}-2×44$=-955kJ/mol，
故答案为：CH₄（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-955kJ/mol；
（2）①将NO和CO转化成无污染气体参与大气循环，则产生的无污染的气体为N₂和CO₂，根据图象分析，反应为可逆反应，NO并未完全反应，则该反应的化学方程式为：2NO+2CO?N₂+2CO₂，
故答案为：2NO+2CO?N₂+2CO₂；
②10min时，NO的物质的量变化为△n（NO）=0.4mol-0.2mol=0.2mol，容器体积为V=2L，根据化学反应平均速率的公式v（NO）=$\frac{△n（NO）}{V△t}$=$\frac{0.2mol}{10min×2L}$=0.01mol/（L•min），化学反应速率之比等于化学计量数之比，则10min内该反应的速率v（N₂）=$\frac{1}{2}v（NO）$=0.005mol/（L•min），
反应是将等物质的量的NO和CO冲入容器反应的，CO起始量为0.4mol，反应转化了0.2mol，则CO的平衡转化率为α（CO）=$\frac{0.2mol}{0.4mol}×100%$=50%，
T℃时，反应达到平衡时，容器中各组分的浓度为c（NO）=$\frac{0.2mol}{2L}$=0.1mol/L，c（CO）=$\frac{0.2mol}{2L}$0.1mol/L，c（N₂）=$\frac{0.1mol}{2L}$=0.05mol/L，c（CO₂）=$\frac{0.2mol}{2L}$=0.1mol/L，则该化学反应的平衡常数K=$\frac{{c}^{2}（C{O}_{2}）c（{N}_{2}）}{{c}^{2}（CO）{c}^{2}（NO）}$=$\frac{（0.1mol/L）^{2}×0.05mol/L}{（0.1mol/L）^{2}×（0.1mol/L）^{2}}$=5L/mol，
故答案为：0.005mol/（L•min）；50%；5L/mol；
③若该反应△H＜0，则该反应为放热反应，降低温度有利于反应向正反应方向移动，结合反应的气体分子数变化考虑改变条件对化学平衡的影响，
a．随着温度升高，反应为放热反应，则化学平衡向逆反应方向移动，平衡常数随温度的升高而减小，故a错误；
b．随着温度升高，反应为放热反应，则化学平衡向逆反应方向移动，CO的转化率降低，故b错误；
c．平衡常数只随温度的改变而改变，改变NO的量不改变化学平衡常数，故c正确；
d．增加N₂物质的量，化学平衡向逆反应方向移动，NO的转化率降低，故d错误；
故答案为：c；
④一定温度下，在恒容密闭容器中充入一定量NO和CO进行该反应，结合常用的判断化学平衡的判据，温度变化，压强变化，速率变化判断；
a．反应为气体分子数发生变化的反应，即随着反应进行，压强发生变化，当容器中压强不再变化时，可以判断化学反应是否达到平衡，故a选；
b．CO₂为生成物，当CO₂的浓度不再改变时，可判断化学反应是否达到平衡，故b选；
c.2v正（NO）=v逆（N₂），化学反应速率之比应为v正（NO）=2v逆（N₂），故c不选；
d．气体密度为$ρ=\frac{m}{V}$，反应前后质量守恒，气体质量m不变，体积为恒容容器，V不变，则化学反应达到平衡前后，气体密度始终不变，不可以判断化学反应是否达到平衡，故d不选；
故答案为：a、b；
（3）甲醚燃料电池，原电池负极为物质失去电子，发生氧化反应，根据装置图，考虑到电解质溶液为碱性，应为甲醚失去电子，在碱性介质中被氧化为CO₃^2-，则该电池负极的电极反应式为：CH₃OCH₃-12e^-+16OH^-=2CO₃^2-+11H₂O，
故答案为：CH₃OCH₃-12e^-+16OH^-=2CO₃^2-+11H₂O．

点评 本题主要考查化学原理部分知识，包含盖斯定律的应用，化学反应速率的计算，化学平衡常数的计算，化学平衡的移动，化学平衡的判断，电化学原理，电极反应式的书写，均为高频考点，考查综合分析问题的能力，题目难度中等．