Question

5．甲烷的用途很廣泛．
（1）已知：
2NO₂（g ）═N₂O₄（g）△H=-56.9kJ•mol ^-1
H₂O（g）=H₂O（l）△H=-44.0kJ•mol ^-1
CH₄（g）+N₂O₄ （g）=N₂（g）+2H₂O（l）+CO₂ （g）△H=-898.1kJ•mol ^-1
則 CH₄（g）催化還原NO₂ （g）生成 N₂（g）和H₂O（g）的熱化學方程式為CH₄（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g），△H=-867kJ•mol^-1．
（2）一定條件下，發(fā)生2NO（g）+2CO（g）$\stackrel{催化劑}{?}$N₂（g）+2CO₂（g）△H＜0．在不同時間c（NO）與c（CO）如下表所示：

時間/s	0	2	4	6	8	10
c（NO）/mol•L-1	1.00×10-3	4.50×10-4	2.50×10-4	1.50×10-4	1.00×10-4	1.00×10-4
c（CO）/mol•L-1	3.60×10-3	3.05×10-3	2.85×10-3	2.75×10-3	2.70×10-3	2.70×10-3

①該溫度下，該反應的平衡常數(shù)表達式為K=$\frac{c（{N}_{2}）{c}^{2}（C{O}_{2}）}{{c}^{2}（NO）{c}^{2}（CO）}$；
②計算前4秒內氮氣的平均反應速率為9.375×10^-5mol/（L•s）；
③下列選項中，不能說明上述反應已達平衡的是AC
A．2v_正（NO）=v_逆（N₂ ）
B．容器中氣體的平均分子量不隨時間而變化
C．容器中氣體的密度不隨時間而變化
D．容器中CO的質量不再發(fā)生變化
E． 容器中氣體的總壓強不隨時間而變化
（3）CH₄燃料電池原理如圖所示

①該燃料電池的正極為b（填“a”或“b”）．該電池負極的電極反應式為CH₄+10OH^--8e-=CO₃^2-+7H₂O；
②放電一段時間后，電解質溶液的pH減�。ㄌ睢霸龃蟆薄ⅰ皽p小”或“不變”）．

Answer 1

分析 （1）①2NO₂（g ）═N₂O₄（g）△H=-56.9kJ•mol ^-1
②H₂O（g）=H₂O（l）△H=-44.0kJ•mol ^-1
③CH₄（g）+N₂O₄ （g）=N₂（g）+2H₂O（l）+CO₂ （g）△H=-898.1kJ•mol ^-1
蓋斯定律計算①+③-2×②得到 CH₄（g）催化還原NO₂ （g）生成 N₂（g）和H₂O（g）的熱化學方程式；
（2）①平衡常數(shù)K=$\frac{生成物平衡濃度冪次方乘積}{反應物平衡濃度冪次方乘積}$；
②計算NO反應速率v=$\frac{△c}{△t}$，反應速率之比等于化學方程式計量數(shù)之比計算得到氮氣的反應速率；
③根據(jù)化學平衡狀態(tài)的特征解答，當反應達到平衡狀態(tài)時，正逆反應速率相等，各物質的濃度、百分含量不變，以及由此衍生的一些量也不發(fā)生變化，解題時要注意，選擇判斷的物理量，隨著反應的進行發(fā)生變化，當該物理量由變化到定值時，說明可逆反應到達平衡狀態(tài)；
（4）①CH₄燃料電池中甲烷在負極失電子發(fā)生氧化反應，在堿性環(huán)境中生成碳酸鹽，結合電話守恒和原子守恒書寫電極反應；
②放電一段時間后，依據(jù)化學方程式分析，消耗溶液中氫氧根離子生成水，電解質溶液的pH減�。�

解答 （1）（1）①2NO₂（g ）═N₂O₄（g）△H=-56.9kJ•mol ^-1
②H₂O（g）=H₂O（l）△H=-44.0kJ•mol ^-1
③CH₄（g）+N₂O₄ （g）=N₂（g）+2H₂O（l）+CO₂ （g）△H=-898.1kJ•mol ^-1
蓋斯定律計算①+③-2×②得到 CH₄（g）催化還原NO₂ （g）生成 N₂（g）和H₂O（g）的熱化學方程式：CH₄（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g），△H=-867kJ•mol^-1 ，
故答案為：CH₄（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g），△H=-867kJ•mol^-1 ；
（2）①一定條件下，發(fā)生2NO（g）+2CO（g）$\stackrel{催化劑}{?}$N₂（g）+2CO₂（g）△H＜0，平衡常數(shù)K=$\frac{c（{N}_{2}）{c}^{2}（C{O}_{2}）}{{c}^{2}（NO）{c}^{2}（CO）}$，
故答案為：$\frac{c（{N}_{2}）{c}^{2}（C{O}_{2}）}{{c}^{2}（NO）{c}^{2}（CO）}$；
②前4秒內NO濃度變化=1.00×10^-3 mol/L-2.50×10^-4 mol/L=7.5×10^-4mol/L，NO的反應速率v（NO）=$\frac{7.5×1{0}^{-4}mol/L}{4s}$=1.875×10^-4mol/（L•s），氮氣的平均反應速率v（N₂）=$\frac{1}{2}$v（NO）=$\frac{1.875mol/（L•s）}{2}$=9.375×10^-5mol/（ L•s，
故答案為：9.375×10^-5mol/（ L•s）； 
③2NO（g）+2CO（g）$\stackrel{催化劑}{?}$N₂（g）+2CO₂（g）△H＜0，
A．v_正（NO）=2v_逆（N₂ ）說明氮氣的正逆反應速率相同，反應達到平衡狀態(tài)，2v_正（NO）=v_逆（N₂ ）不能說明正逆反應速率相同，故A符合；
B．反應前后氣體質量不變，氣體物質的量減小，當容器中氣體的平均分子量不隨時間而變化說明反應達到平衡狀態(tài)，故B不符合；
C．氣體質量和體積不變，容器中氣體的密度始終不隨時間而變化，不能說明反應達到平衡狀態(tài)，故C符合；
D．容器中CO的質量不再發(fā)生變化說明一氧化碳濃度不變，反應達到平衡狀態(tài)，故D不符合；
E． 反應前后氣體物質的量變化，當容器中氣體的總壓強不隨時間而變化說明反應達到平衡狀態(tài)，故E不符合；
故答案為：AC；
（3）①CH₄燃料電池中甲烷在負極失電子發(fā)生氧化反應，該燃料電池的正極為通入氧氣的電極一端，電極b為正極，在堿性環(huán)境中生成碳酸鹽，結合電話守恒和原子守恒書寫電極反應為：CH₄+10OH^--8e-=CO₃^2-+7H₂O，
故答案為：b； CH₄+10OH^--8e-=CO₃^2-+7H₂O；    
②放電一段時間后，負極電極反應CH₄+10OH^--8e-=CO₃^2-+7H₂O，正極電極反應為O₂+2H₂O+4e^-=4OH^-，總化學反應的離子方程式為：CH₄+2OH^-+2O₂→CO₃^2-+3H₂O，反應過程中消耗氫氧根離子，溶液PH減小，
故答案為：減�。�

點評 本題考查了熱化學方程式書寫、化學反應速率計算、影響化學平衡因素分析判斷、原電池原理和電極反應書寫等知識，題目難度中等．