Question

14．碳、氮及其化合物在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活中有著重要作用．請(qǐng)回答下列問(wèn)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(gè)過(guò)程中放出的熱量為1734 kJ，則△H₂=-1160kJ/mol；
（2）據(jù)報(bào)道，科學(xué)家在一定條件下利用Fe₂O₃與甲烷反應(yīng)可制取“納米級(jí)”的金屬鐵．其反應(yīng)為：
Fe₂O₃（s）+3CH₄（g）?2Fe（s）+3CO（g）+6H₂（g）△H＞0
①若反應(yīng)在5L的密閉容器中進(jìn)行，1min后達(dá)到平衡，測(cè)得Fe₂O₃在反應(yīng)中質(zhì)量減少3.2g．則該段時(shí)間內(nèi)CO的平均反應(yīng)速率為0.012mol/（L•min）．
②若該反應(yīng)在恒溫恒壓容器中進(jìn)行，能表明該反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)的是bd
a．CH₄的轉(zhuǎn)化率等于CO的產(chǎn)率
b．混合氣體的平均相對(duì)分子質(zhì)量不變
c．v（CO）與v（H₂）的比值不變
d．固體的總質(zhì)量不變
③該反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)某物理量隨溫度變化如圖1所示，當(dāng)溫度由T₁升高到T₂時(shí)，平衡常數(shù)K_A＜K_B（填“＞”、“＜”或“=”）．縱坐標(biāo)可以表示的物理量有哪些bc．
a．H₂的逆反應(yīng)速率
b．CH₄的體積分?jǐn)?shù)
c．混合氣體的平均相對(duì)分子質(zhì)量
d．CO的體積分?jǐn)?shù)
（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(qǐng)回答：
①甲烷燃料電池的負(fù)極反應(yīng)式是：CH₄-8e^-+10OH^-=CO₃^2-+7H₂O．
②當(dāng)A中消耗0.05mol氧氣時(shí)，B中b極（填“a”或“b”）增重6.4g．
（4）工業(yè)合成氨氣需要的反應(yīng)條件非常高且產(chǎn)量低，而一些科學(xué)家采用高質(zhì)子導(dǎo)電性的SCY陶瓷（能傳遞H⁺）實(shí)現(xiàn)氨的電化學(xué)合成，從而大大提高了氮?dú)夂蜌錃獾霓D(zhuǎn)化率．電化學(xué)合成氨過(guò)程的總反應(yīng)式為：N₂+3H₂$\stackrel{一定條件}{?}$2NH₃，該過(guò)程中還原反應(yīng)的方程式為N₂+6H⁺+6e^-=2NH₃．

Answer 1

分析 （1）根據(jù)蓋斯定律書寫二氧化氮轉(zhuǎn)化為氮?dú)獾臒峄瘜W(xué)方程式，從而計(jì)算反應(yīng)熱；
（2）①結(jié)合題干計(jì)算鐵物質(zhì)的量，根據(jù)化學(xué)方程式定量關(guān)系計(jì)算甲烷消耗的物質(zhì)的量，依據(jù)化學(xué)反應(yīng)速率概念計(jì)算得到；
②反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，正逆反應(yīng)速率相等，各組分濃度保持不變，據(jù)此分析；
③該反應(yīng)是正反應(yīng)氣體體積增大的吸熱反應(yīng)，升溫平衡正向移動(dòng)，據(jù)此分析；
（3）①甲烷燃料堿性電池中，負(fù)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(jù)Cu和轉(zhuǎn)移電子之間的關(guān)系式計(jì)算；
（4）根據(jù)題目信息以及陰極得電子發(fā)生還原反應(yīng)．

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(gè)過(guò)程中放出的熱量為867kJ，
將熱化學(xué)方程式$\frac{①+②}{2}$得熱化學(xué)反應(yīng)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(yīng)在5L的密閉容器中進(jìn)行，1min后達(dá)到平衡，測(cè)得Fe₂O₃在反應(yīng)中質(zhì)量減少3.2g的物質(zhì)的量=$\frac{3.2g}{106g/mol}$=0.02mol，結(jié)合化學(xué)方程式，F(xiàn)e₂O₃（s）+3CH₄（g）═2Fe（s）+3CO（g）+6H₂（g），計(jì)算反應(yīng)的甲烷物質(zhì)的量為0.06mol，則該段時(shí)間內(nèi)CH₄的平均反應(yīng)速率=$\frac{\frac{0.06mol}{5L}}{1min}$=0.012mol/（L•min），
故答案為：0.012mol/（L•min）；
②a．CH₄的轉(zhuǎn)化率與CO的產(chǎn)率與是否達(dá)到平衡狀態(tài)無(wú)關(guān)，故a錯(cuò)誤；
b．反應(yīng)前后氣體的物質(zhì)的量和質(zhì)量都不同，所以混合氣體的平均相對(duì)分子質(zhì)量不變說(shuō)明反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，故b正確；
c、v（CO）與v（H₂）的比值始終不變，所以其不能說(shuō)明反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，故c錯(cuò)誤；
d、固體的總質(zhì)量不變，說(shuō)明正逆反應(yīng)速率相等，反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，故d正確；故答案為：bd；
③Fe₂O₃（s）+3CH₄（g）═2Fe（s）+3CO（g）+6H₂（g）△H＞0，反應(yīng)是氣體體積增大的吸熱反應(yīng)，升溫平衡正向移動(dòng)，平衡常數(shù)增大，K_A＜K_B；
a．H₂的逆反應(yīng)速率隨溫度的升高而增大，故a錯(cuò)誤；
b．升溫平衡正向移動(dòng)，CH₄的體積分?jǐn)?shù)減小，故b正確；
c．升溫平衡正向移動(dòng)，混合氣體的平均相對(duì)分子質(zhì)量減小，故c正確；
d．升溫平衡正向移動(dòng)，CO的體積分?jǐn)?shù)增大，故d錯(cuò)誤；故答案為：＜；bc；
（3）①甲烷燃料堿性電池中，負(fù)極上甲烷失電子和氫氧根生成水和碳酸根，電極反應(yīng)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(shí)，轉(zhuǎn)移0.2mol電子，b電極為陰極，陰極上銅離子放電生成Cu，根據(jù)Cu和轉(zhuǎn)移電子之間的關(guān)系式得析出Cu的質(zhì)量=$\frac{0.2mol}{2}$×64g/mol=6.4g，故答案為：b；6.4；
（4）陰極得電子發(fā)生還原反應(yīng)：N₂+6H⁺+6e^-=2NH₃，故答案為：N₂+6H⁺+6e^-=2NH₃．

點(diǎn)評(píng) 本題綜合考查學(xué)生有關(guān)電化學(xué)、熱化學(xué)、化學(xué)反應(yīng)速率和平衡的有關(guān)計(jì)算等知識(shí)，綜合性較強(qiáng)，難度大．