Question

4．自2013年以來我國“霧霾”污染日益嚴(yán)重．中科院“大氣灰霾追因與控制”項(xiàng)目針對北京強(qiáng)霾過程進(jìn)行分析，強(qiáng)霾過程中，出現(xiàn)了大量有毒有害的含氮有機(jī)顆粒物．燃煤和機(jī)動(dòng)車尾氣是氮氧化物的上要來源．現(xiàn)在對其中的一些氣休進(jìn)行了一定的研究：
（1）用CH₄催化還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
寫出CH₄（g）與NO₂（g）反應(yīng)生成N₂（g）、CO₂（g）和H₂O（1）的熱化學(xué)方程式CH₄（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-955kJ/mol．
（2）為了減輕大氣污染，人們提出在汽車尾氣排氣管口采用催化劑將NO和CO轉(zhuǎn)化成無污染氣體參與大氣循環(huán)．T℃時(shí)，將等物質(zhì)的量的NO和CO充入容積為2L的密閉容器中，保持溫度和體積不變，反應(yīng)過程中NO的物質(zhì)的量隨時(shí)間變化如1圖所示．

①寫出該反應(yīng)的化學(xué)方程式2NO+2CO?N₂+2CO₂．
②10min內(nèi)該反應(yīng)的速率v（N₂）=0.005mol/（L•min）；該反應(yīng)達(dá)平衡時(shí)CO的轉(zhuǎn)化率為50%；T℃時(shí)該化學(xué)反應(yīng)的平衡常數(shù)K=5L/mol．
③若該反應(yīng)△H＜0，在恒容的密閉容器中，反應(yīng)達(dá)平衡后，改變某一條件，圖2示意圖正確的是c．
④一定溫度下，在恒容密閉容器中充入一定量NO和CO進(jìn)行該反應(yīng)，能判斷反應(yīng)已達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)的是a、b．
a．容器中壓強(qiáng)不再變化         b．CO₂的濃度不再改變
c．2v正（NO）=v逆（N₂）d．氣體的密度保持不變
（3）以燃料電池為代表的新能源的推廣使用能大大降低污染物的排放．如圖是一種甲醚燃料電池結(jié)構(gòu)，請寫出該電池負(fù)極的電極反應(yīng)式CH₃OCH₃-12e^-+16OH^-=2CO₃^2-+11H₂O．

Answer 1

分析 （1）CH₄（g）與NO₂（g）反應(yīng)生成N₂（g）、CO₂（g）和H₂O（1）的化學(xué)方程式為：CH₄（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+CO₂（g）+4H₂O（l），該反應(yīng)可由已知熱效應(yīng)的方程式推導(dǎo)，根據(jù)蓋斯定律計(jì)算該反應(yīng)的焓變；
（2）①將NO和CO轉(zhuǎn)化成無污染氣體參與大氣循環(huán)，則產(chǎn)生的無污染的氣體為N₂和CO₂，根據(jù)圖象分析，反應(yīng)為可逆反應(yīng)，NO并未完全反應(yīng)，據(jù)此寫出反應(yīng)的方程式；
②10min時(shí)，NO的物質(zhì)的量變化為△n（NO）=0.4mol-0.2mol=0.2mol，容器體積為V=2L，根據(jù)化學(xué)反應(yīng)平均速率的公式v（NO）=$\frac{△n（NO）}{V△t}$計(jì)算NO的平均速率，化學(xué)反應(yīng)速率之比等于化學(xué)計(jì)量數(shù)之比計(jì)算N₂的平均速率，反應(yīng)是將等物質(zhì)的量的NO和CO沖入容器反應(yīng)的，據(jù)此計(jì)算CO的平衡轉(zhuǎn)化率，將各組分的平衡濃度代入平衡常數(shù)表達(dá)式計(jì)算反應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù)；
③若該反應(yīng)△H＜0，則該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，降低溫度有利于反應(yīng)向正反應(yīng)方向移動(dòng)，結(jié)合反應(yīng)的氣體分子數(shù)變化考慮改變條件對化學(xué)平衡的影響，據(jù)此分析；
④一定溫度下，在恒容密閉容器中充入一定量NO和CO進(jìn)行該反應(yīng)，結(jié)合常用的判斷化學(xué)平衡的判據(jù)，溫度變化，壓強(qiáng)變化，速率變化，據(jù)此逐項(xiàng)分析化學(xué)平衡狀態(tài)的判斷；
（3）甲醚燃料電池，原電池負(fù)極為物質(zhì)失去電子，發(fā)生氧化反應(yīng)，結(jié)合裝置圖提供的信息，據(jù)此寫出負(fù)極的電極反應(yīng)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）與NO₂（g）反應(yīng)生成N₂（g）、CO₂（g）和H₂O（1）的化學(xué)方程式為：CH₄（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（l），該反應(yīng)可由$\frac{①+②}{2}+③×2$得到，根據(jù)蓋斯定律，該反應(yīng)的焓變$△H=\frac{△{H}_{1}+△{H}_{2}}{2}+2△{H}_{3}$=$\frac{-574-1160}{2}-2×44$=-955kJ/mol，
故答案為：CH₄（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-955kJ/mol；
（2）①將NO和CO轉(zhuǎn)化成無污染氣體參與大氣循環(huán)，則產(chǎn)生的無污染的氣體為N₂和CO₂，根據(jù)圖象分析，反應(yīng)為可逆反應(yīng)，NO并未完全反應(yīng)，則該反應(yīng)的化學(xué)方程式為：2NO+2CO?N₂+2CO₂，
故答案為：2NO+2CO?N₂+2CO₂；
②10min時(shí)，NO的物質(zhì)的量變化為△n（NO）=0.4mol-0.2mol=0.2mol，容器體積為V=2L，根據(jù)化學(xué)反應(yīng)平均速率的公式v（NO）=$\frac{△n（NO）}{V△t}$=$\frac{0.2mol}{10min×2L}$=0.01mol/（L•min），化學(xué)反應(yīng)速率之比等于化學(xué)計(jì)量數(shù)之比，則10min內(nèi)該反應(yīng)的速率v（N₂）=$\frac{1}{2}v（NO）$=0.005mol/（L•min），
反應(yīng)是將等物質(zhì)的量的NO和CO沖入容器反應(yīng)的，CO起始量為0.4mol，反應(yīng)轉(zhuǎn)化了0.2mol，則CO的平衡轉(zhuǎn)化率為α（CO）=$\frac{0.2mol}{0.4mol}×100%$=50%，
T℃時(shí)，反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)，容器中各組分的濃度為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}$=0.1mol/L，則該化學(xué)反應(yīng)的平衡常數(shù)K=$\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}}$=5L/mol，
故答案為：0.005mol/（L•min）；50%；5L/mol；
③若該反應(yīng)△H＜0，則該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，降低溫度有利于反應(yīng)向正反應(yīng)方向移動(dòng)，結(jié)合反應(yīng)的氣體分子數(shù)變化考慮改變條件對化學(xué)平衡的影響，
a．隨著溫度升高，反應(yīng)為放熱反應(yīng)，則化學(xué)平衡向逆反應(yīng)方向移動(dòng)，平衡常數(shù)隨溫度的升高而減小，故a錯(cuò)誤；
b．隨著溫度升高，反應(yīng)為放熱反應(yīng)，則化學(xué)平衡向逆反應(yīng)方向移動(dòng)，CO的轉(zhuǎn)化率降低，故b錯(cuò)誤；
c．平衡常數(shù)只隨溫度的改變而改變，改變NO的量不改變化學(xué)平衡常數(shù)，故c正確；
d．增加N₂物質(zhì)的量，化學(xué)平衡向逆反應(yīng)方向移動(dòng)，NO的轉(zhuǎn)化率降低，故d錯(cuò)誤；
故答案為：c；
④一定溫度下，在恒容密閉容器中充入一定量NO和CO進(jìn)行該反應(yīng)，結(jié)合常用的判斷化學(xué)平衡的判據(jù)，溫度變化，壓強(qiáng)變化，速率變化判斷；
a．反應(yīng)為氣體分子數(shù)發(fā)生變化的反應(yīng)，即隨著反應(yīng)進(jìn)行，壓強(qiáng)發(fā)生變化，當(dāng)容器中壓強(qiáng)不再變化時(shí)，可以判斷化學(xué)反應(yīng)是否達(dá)到平衡，故a選；
b．CO₂為生成物，當(dāng)CO₂的濃度不再改變時(shí)，可判斷化學(xué)反應(yīng)是否達(dá)到平衡，故b選；
c.2v正（NO）=v逆（N₂），化學(xué)反應(yīng)速率之比應(yīng)為v正（NO）=2v逆（N₂），故c不選；
d．氣體密度為$ρ=\frac{m}{V}$，反應(yīng)前后質(zhì)量守恒，氣體質(zhì)量m不變，體積為恒容容器，V不變，則化學(xué)反應(yīng)達(dá)到平衡前后，氣體密度始終不變，不可以判斷化學(xué)反應(yīng)是否達(dá)到平衡，故d不選；
故答案為：a、b；
（3）甲醚燃料電池，原電池負(fù)極為物質(zhì)失去電子，發(fā)生氧化反應(yīng)，根據(jù)裝置圖，考慮到電解質(zhì)溶液為堿性，應(yīng)為甲醚失去電子，在堿性介質(zhì)中被氧化為CO₃^2-，則該電池負(fù)極的電極反應(yīng)式為：CH₃OCH₃-12e^-+16OH^-=2CO₃^2-+11H₂O，
故答案為：CH₃OCH₃-12e^-+16OH^-=2CO₃^2-+11H₂O．

點(diǎn)評 本題主要考查化學(xué)原理部分知識(shí)，包含蓋斯定律的應(yīng)用，化學(xué)反應(yīng)速率的計(jì)算，化學(xué)平衡常數(shù)的計(jì)算，化學(xué)平衡的移動(dòng)，化學(xué)平衡的判斷，電化學(xué)原理，電極反應(yīng)式的書寫，均為高頻考點(diǎn)，考查綜合分析問題的能力，題目難度中等．