Question

19．近年來，霧霾天氣多次肆虐我國廣大地區(qū)．其中，汽車尾氣和燃煤是造成空氣污染的主要原因之一．
（1）汽車尾氣凈化的主要原理為：2NO（g）+2CO（g）$\stackrel{催化劑}{?}$2CO₂（g）+N₂（g）；△H＜0
①該反應(yīng)的平衡常數(shù)表達(dá)式為$\frac{c（{N}_{2}）{c}^{2}（C{O}_{2}）}{{c}^{2}（NO）{c}^{2}（CO）}$．
②若該反應(yīng)在絕熱、恒容的密閉體系中進(jìn)行，下列示意圖正確且能說明反應(yīng)在進(jìn)行到t₁時(shí)刻達(dá)到平衡狀態(tài)的是bd（選填代號(hào)）．

（2）直接排放煤燃燒產(chǎn)生的煙氣會(huì)引起嚴(yán)重的環(huán)境問題．
煤燃燒產(chǎn)生的煙氣含氮的氧化物，用CH₄催化還原NO_X可以消除氮氧化物的污染．
已知：①CH₄（g）+2NO₂（g）═N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）；△H=-867kJ/mol
②2NO₂（g）?N₂O₄（g）；△H=-56.9kJ/mol
③H₂O（g）═H₂O（l）；△H=-44.0kJ/mol
請(qǐng)寫出CH₄催化還原N₂O₄（g）生成N₂和H₂O（l）的熱化學(xué)方程式：CH₄（g）+N₂O₄（g）═N₂（g）+2H₂O（l）+CO₂（g）△H=-898.1kJ/mol．
（3）甲烷燃料電池可以提升能量利用率．圖是利用甲烷燃料電池電解100mL1mol/L食鹽水，電解一段時(shí)間后，收集到標(biāo)準(zhǔn)狀況下的氫氣2.24L（假設(shè)電解后溶液體積不變）．

①甲烷燃料電池的負(fù)極反應(yīng)為CH₄-8e^-+2H₂O=CO₂+8H⁺．甲烷燃料電池總反應(yīng)化學(xué)方程式為CH₄+2O₂=2H₂O+CO₂．
②電解后溶液的pH=14（忽略氯氣與氫氧化鈉溶液反應(yīng)）．
③陽極產(chǎn)生氣體的體積在標(biāo)準(zhǔn)狀況下是1.68 L．

Answer 1

分析 （1）①根據(jù)反應(yīng)方程式2NO（g）+2CO（g）$\stackrel{催化劑}{?}$2CO₂（g）+N₂（g）及平衡常數(shù)的概念寫出該反應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù)表達(dá)式為K；
②a．達(dá)平衡后正、逆速率相等，且不再變化；
b．平衡后，溫度為定值，平衡常數(shù)不變，結(jié)合反應(yīng)熱判斷隨反應(yīng)進(jìn)行容器內(nèi)溫度變化，判斷溫度對(duì)化學(xué)平衡常數(shù)的影響；
c．₁時(shí)刻后二氧化碳、NO的物質(zhì)的量發(fā)生變化，最后不再變化；
d．達(dá)平衡后各組分的含量不發(fā)生變化；
（2）根據(jù)蓋斯定律，由已知熱化學(xué)方程式乘以適當(dāng)?shù)南禂?shù)進(jìn)行加減構(gòu)造目標(biāo)熱化學(xué)方程式；
（3）①原電池負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，甲烷在負(fù)極通入，酸性條件下，發(fā)生氧化反應(yīng)生成CO₂、H⁺；電池中總反應(yīng)為甲烷燃燒生成二氧化碳和水；
②根據(jù)氯化鈉的物質(zhì)的量及電解方程式來求溶液中生成的氫氧根離子濃度，再計(jì)算出溶液的pH；
③電解過程中，陽極先生成氯氣，之后電解水過程中生成氧氣，根據(jù)氫氣的總物質(zhì)的量判斷陽極生成氣體的總物質(zhì)的量，然后計(jì)算出標(biāo)況下的陽極生成氣體的體積．

解答 解：（1）①反應(yīng)方程式2NO（g）+2CO（g）$\stackrel{催化劑}{?}$2CO₂（g）+N₂（g）的化學(xué)平衡常數(shù)表達(dá)式為：K=$\frac{c（{N}_{2}）{c}^{2}（C{O}_{2}）}{{c}^{2}（NO）{c}^{2}（CO）}$，
故答案為：$\frac{c（{N}_{2}）{c}^{2}（C{O}_{2}）}{{c}^{2}（NO）{c}^{2}（CO）}$；
②a．到達(dá)平衡后正、逆速率相等，不再變化，t₁時(shí)刻V_正最大，之后隨反應(yīng)進(jìn)行速率發(fā)生變化，未到達(dá)平衡，故a錯(cuò)誤；
b．該反應(yīng)正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，隨反應(yīng)進(jìn)行溫度升高，化學(xué)平衡常數(shù)減小，到達(dá)平衡后，溫度為定值，達(dá)到最高，平衡常數(shù)不變，故b正確；
c．t₁時(shí)刻后二氧化碳、NO的物質(zhì)的量發(fā)生變化，t₁時(shí)刻未到達(dá)平衡狀態(tài)，故c錯(cuò)誤；
d．t₁時(shí)刻N(yùn)O的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為定值，說明NO的濃度、百分含量不再變化，即t₁時(shí)刻已經(jīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，故d正確，
故答案為：bd；
（2）已知：CH₄（g）+2NO₂（g）═N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₁=-867kJ/mol①
2NO₂（g）?N₂O₄（g）△H₂=-56.9kJ/mol②
H₂O（g）=H₂O（l）△H=-44.0kJ/mol③
根據(jù)蓋斯定律，①-②+③×2可得CH₄（g）+N₂O₄（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（l），故△H=-867kJ/mol-（-56.9kJ/mol）+2（-44.0）kJ/mol=-898.1kJ/mol 即CH₄（g）+N₂O₄（g）═N₂（g）+2H₂O（l）+CO₂（g）△H=-898.1kJ/mol，
故答案為：CH₄（g）+N₂O₄（g）═N₂（g）+2H₂O（l）+CO₂（g）△H=-898.1kJ/mol；
（3）①、原電池負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，甲烷在負(fù)極通入，酸性條件下，發(fā)生氧化反應(yīng)生成CO₂、H⁺，負(fù)極電極反應(yīng)式為：CH₄-8e^-+2H₂O=CO₂+8H⁺，甲烷燃料電池總反應(yīng)化學(xué)方程式為CH₄+2O₂=2H₂O+CO₂，
故答案為：CH₄-8e^-+2H₂O=CO₂+8H⁺；CH₄+2O₂=2H₂O+CO₂；
②100mL 1mol/L食鹽水中含有氯化鈉0.1mol，根據(jù)反應(yīng)方程式2NaCl+2H₂O$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$2NaOH+H₂↑+Cl₂↑可知，電解0.1molNaCl生成0.1mol氫氧化鈉和0.05mol氫氣，同時(shí)生成0.05mol氯氣；繼續(xù)電解實(shí)質(zhì)為電解水，標(biāo)況下2.24L氫氣的物質(zhì)的量為0.1mol，電解水生成氫氣為0.1mol-0.05mol=0.05mol，生成0.05mol氫氣會(huì)生成0.025mol氧氣，則電解過程中陽極總共生成0.05mol+0.025mol=0.075mol氣體，
電解生成標(biāo)況下2.24L氫氣時(shí)，生成氫氧化鈉的物質(zhì)的量為：0.1mol，此時(shí)溶液中氫氧根離子濃度為：$\frac{0.1mol}{0.1L}$=1mol/L，溶液中氫離子濃度為：c（H⁺）=$\frac{1×1{0}^{-14}}{1}$=10^-14mol/L，所以溶液的pH=14，
故答案為：14；
③根據(jù)②的分析可知，電解過程中陽極生成了0.05mol氯氣和0.025mol氧氣，總共生成0.075mol氣體，標(biāo)準(zhǔn)狀況下陽極生成氣體的體積為：22.4L/mol×0.075mol=1.68，
故答案為：1.68．

點(diǎn)評(píng) 本題考查了化學(xué)平衡常數(shù)影響因素及計(jì)算、電解原理、熱化學(xué)方程式的書寫等知識(shí)，題目難度較大，試題涉及的知識(shí)點(diǎn)較多，充分培養(yǎng)了學(xué)生的分析、理解能力及化學(xué)計(jì)算能力，注意掌握化學(xué)平衡常數(shù)的概念、表達(dá)式及其影響因素，明確電解原理，能夠正確書寫電極反應(yīng)式．