Question

7．甲烷是天然氣的主要成分，是生產(chǎn)生活中應(yīng)用非常廣泛的一種化學(xué)物質(zhì)．
（1）一定條件下，用甲烷可以消除氮氧化物（NO_x）的污染．已知：
CH₄（g）+4NO（g）=2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）；△H₁=-1160kJ/mo
CH₄（g）+4NO₂（g）=4NO（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）；△H₂=-574kJ/mol
現(xiàn)有一份在相同條件下對H₂的相對密度為17的NO與NO₂的混合氣體
①該混合氣體中NO和NO₂的物質(zhì)的量之比為3：1
②在一定條件下NO氣體可以分解為NO₂氣體和N₂氣體，寫出該反應(yīng)的熱化學(xué)方程式
4NO（g）=2NO₂（g）+N₂（g）△H=-293kJ/mol
（2）以甲烷為燃料的新型電池，其成本大大低于以氫為燃料的傳統(tǒng)燃料電池，目前得到廣泛的研究，如圖是目前研究較多的一類固體氧化物燃料電池工作原理示意圖．回答下列問題：
③B極為電池負(fù)極，電極反應(yīng)式為CH₄-8e^-+4O^2-=CO₂+2H₂O．
④若用該燃料電池做電源，用石墨做電極電解100mL 1mol/L的硫酸銅溶液，寫出陽極的電極反應(yīng)式4OH^--4e^-=O₂↑+2H₂O，當(dāng)兩極收集到的氣體體積相等時，理論上消耗的甲烷的體積為1.12L（標(biāo)況下），實際上消耗的甲烷體積（折算到標(biāo)況）比理論上大，可能原因為電池能量轉(zhuǎn)化率達(dá)不到100%．

Answer 1

分析 （1）①相同條件下，不同氣體的摩爾質(zhì)量之比等于其密度之比，據(jù)此計算氮氧化物平均摩爾質(zhì)量，再根據(jù)平均摩爾質(zhì)量計算NO和二氧化氮的物質(zhì)的量之比；
②根據(jù)蓋斯定律及已知熱化學(xué)方程式構(gòu)造目標(biāo)反應(yīng)的熱化學(xué)方程式；
（2）③B為負(fù)極，總反應(yīng)式為CH₄+2O₂+=CO₂+2H₂O，正極反應(yīng)式為：2O₂+8e^-=4O^2-，兩式相減可得負(fù)極電極反應(yīng)式；
④開始階段發(fā)生反應(yīng)：2Cu²⁺+2H₂O$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$2Cu+O₂↑+4H⁺，銅離子完全放電后，發(fā)生反應(yīng)2H₂O$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$2H₂↑+O₂↑，陽極的電極反應(yīng)式是氫氧根離子放電，當(dāng)兩極收集到的氣體體積相等時，即氫氣與氧氣的體積相等，令是氫氣為xmol，根據(jù)電子轉(zhuǎn)移守恒列方程計算，再根據(jù)電子轉(zhuǎn)移守恒計算消耗的甲烷；根據(jù)電池中的能量轉(zhuǎn)化率分析．

解答 解：（1）①在相同條件下對H₂的相對密度為17的NO與NO₂的混合氣體，相同條件下，氣體的密度之比等于其摩爾質(zhì)量之比，所以混合氣體的摩爾質(zhì)量為34g/mol，設(shè)n（NO）為x，n（NO₂）為y，
混合氣體摩爾質(zhì)量=$\frac{30xg+46yg}{（x+y）mol}$=34g/mol，x：y=3：1，
故答案為：3：1；
②CH₄（g）+4NO（g）=2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₁=-1160kJ/mol①
CH₄（g）+4NO₂（g）=4NO（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₁=-574 kJ/mol②
根據(jù)蓋斯定律，$\frac{1}{2}$（①-②）得：4NO（g）=2NO₂（g）+N₂（g）△H=-293 kJ/mol，
故答案為：4NO（g）=2NO₂（g）+N₂（g）△H=-293 kJ/mol；
（2）③B為負(fù)極，總反應(yīng)式為CH₄+2O₂+=CO₂+2H₂O，正極反應(yīng)式為：2O₂+8e^-=4O^2-，兩式相減，負(fù)極反應(yīng)為：CH₄-8e^-+4O^2-=CO₂+2H₂O，
故答案為：負(fù)；CH₄-8e^-+4O^2-=CO₂+2H₂O；
④硫酸銅的物質(zhì)的量=0.1L×1mol/L=0.1mol，開始階段發(fā)生反應(yīng)：2Cu²⁺+2H₂O$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$2Cu+O₂↑+4H⁺，銅離子完全放電后，發(fā)生反應(yīng)2H₂O$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$2H₂↑+O₂↑，陽極的電極反應(yīng)式：4OH^--4e^-=O₂↑+2H₂O；當(dāng)兩極收集到的氣體體積相等時，即氫氣與氧氣的體積相等，令是氫氣為xmol，根據(jù)電子轉(zhuǎn)移守恒，則：0.1mol×2+2x=4x，解得x=0.1，根據(jù)電子轉(zhuǎn)移守恒，可知消耗的甲烷物質(zhì)的量=$\frac{0.1mol×4}{8}$=0.05mol，故消耗甲烷的體積=0.05mol×22.4L/mol=1.12L，原電池中發(fā)生反應(yīng)時化學(xué)能不去全部轉(zhuǎn)化為電能，即電池能量轉(zhuǎn)化率達(dá)不到100%，所以實際上消耗的甲烷的體積比理論上大；
故答案為：4OH^--4e^-=O₂↑+2H₂O；1.12L；電池能量轉(zhuǎn)化率達(dá)不到100%．

點評 本題考查了原電池和電解池工作原理、蓋斯定律在熱化學(xué)方程式計算中的應(yīng)用，題目難度中等，明確原電池、電解池工作原理為解答關(guān)鍵，注意掌握蓋斯定律的內(nèi)容及應(yīng)用方法．