Question

10．天然气的主要成分是甲烷，甲烷开发利用的前景非常广阔．
（1）已知利用甲烷可催化还原雾霾的形成的元凶NO_x：
CH₄（g）+4NO₂（g）═4NO（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₁=-574kJ/mol
CH₄（g）+4NO（g）═2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₂=-1160kJ/mol
甲烷直接将NO₂还原为N₂的热化学方程式为CH₄（g）+2NO₂（g）═N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-867kJ•mol^-1．
（2）CO₂可转化为甲醇：CO₂（g）+3H₂（g）═CH₃OH（g）+H₂O（g）
①在一恒温恒容密闭容器中充入1mol CO₂和3 mol H₂进行上述反应．测得CO₂和CH₃OH（g）浓度随时间变化如图1所示．回答：0～10min内，氢气的平均反应速率为0.225mol/（L•min）．
②若反应在容积可变的容器中进行．缩小容器体积使压强增大，平衡向正反应方向移动（填“正”或“逆”），平衡常数K值不变（填“增大”、“减小”或“不变”）．
（3）图2是一个以甲烷燃料电池为电源的电化学示意图，回答下列问题：

①甲装置中通入CH₄ 的电极反应式为CH₄+10OH^--8e^-=CO₃^2-+7H₂O，
②乙装置中总反应的离子方程式为4Ag⁺+2H₂O$\frac{\underline{\;电解\;}}{\;}$4Ag+O₂↑+4H⁺，
③一段时间，当丙池中D电极产生56mLH₂（标准状况下）气体时，均匀搅拌丙池，所得溶液在25℃时的pH=12．（已知：NaCl溶液足量，电解后溶液体积为500mL且假设两极产生的气体全部逸出）．
（4）已知甲池反应反应进行到一定程度后可获得K₂CO₃溶液．
①用离子方程式解释溶液呈现酸碱性的原因：CO₃^2-+H₂O?HCO₃^-+OH^-．
②若将等浓度的K₂CO₃ 和KHCO₃溶液等体积混合，则离子浓度由大到小的顺序为：c（K⁺）＞c（HCO₃^-）＞c（CO₃^2-）＞c（OH^-）＞c（H⁺）．
③常温常压下，若将CO₂溶于水，达到平衡时．溶液的pH=5.60，c（H₂CO₃）=1.5×10^-5mol/L．若忽略水的电离及H₂CO₃的第二级电离，则H₂CO₃的电离平衡常数K₁=4.2×10^-7（已知：10^-5.6=2.5×10^-6）．

Answer 1

分析 （1）依据热化学方程式和盖斯定律计算得到；
（2）①先根据图表，利用v=$\frac{△c}{△t}$计算v（CO₂），再利用各物质的反应速率之比等于计量数之比，确定v（H₂）；
②缩小容器体积使压强增大，平衡向气体体积减小的方向移动；平衡常数K仅与温度有关；
（3）①甲池为甲烷形成的燃料电池，CH₄在负极上失电子，碱性条件下生成碳酸根；
②乙装置中B（Ag）的电极为阴极为阳离子得电子，A电极为阳极为阴离子失电子发生氧化反应，据此书写总反应；
③电解氯化钠溶液时，阴极上氢离子放电，阳极上氯离子放电，根据氯气和氢氧化钠的关系式计算氢氧化钠的物质的量浓度，从而得出溶液的pH；
（4）①K₂CO₃溶液发生水解反应溶液呈碱性；
②若将等浓度的K₂CO₃ 和KHCO₃溶液等体积混合，CO₃^2-水解大于HCO₃^-离子的水解，溶液呈碱性，以此判断离子浓度大小；
③根据平衡常数K=$\frac{c（HCO{\;}_{3}{\;}^{-}）c（H{\;}^{+}）}{c（H{\;}_{2}CO{\;}_{3}）}$计算．

解答 解：（1）①CH₄（g）+4NO₂（g）═4NO（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-574kJ•mol^-1
②CH₄（g）+4NO（g）═2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-1160kJ•mol^-1
由盖斯定律（①+②）×$\frac{1}{2}$得到CH₄（g）+2NO₂（g）═N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-867kJ•mol^-1，
故答案为：CH₄（g）+2NO₂（g）═N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-867kJ•mol^-1；
（2）①由图可知，10min时，反应已经达平衡，△c（CO₂）=1.00mol/L-0.25mol/L=0.75mol/L，所以10min内，v（CO₂）=$\frac{0.75mol/L}{10min}$=0.075mol/（L•min），反应速率之比等于计量数之比，故v（H₂）=3v（CO₂）=3×0.075mol/（L•min）=0.225mol/（L•min），故答案为：0.225mol/（L•min）；
②缩小容器体积使压强增大，平衡向气体体积减小的方向即正反应方向移动；因为平衡常数K仅与温度有关，所以温度没变，K不变，故答案为：正；不变；
（3）①甲池中一极通入甲烷，另一极通入氧气，所以甲池为甲烷形成的燃料电池，通入甲烷的一极为负极，碱性条件下生成碳酸根，所以甲装置中通入CH₄的电极反应式为CH₄+10OH^--8e^-=CO₃^2-+7H₂O，故答案为：CH₄+10OH^--8e^-=CO₃^2-+7H₂O；
②乙装置中B（Ag）的电极为阴极为阳离子得电子，A电极为阳极为阴离子失电子发生氧化反应，总反应为电解硝酸银溶液，离子方程式为：4Ag⁺+2H₂O$\frac{\underline{\;电解\;}}{\;}$4Ag+O₂↑+4H⁺；故答案为：4Ag⁺+2H₂O$\frac{\underline{\;电解\;}}{\;}$4Ag+O₂↑+4H⁺；
（3）设电解后氢氧化钠的物质的量浓度是xmol/L，丙池中产生112mL，则氢气的体积与氯气的体积相同均为56ml，
2NaCl+2H₂O $\frac{\underline{\;电解\;}}{\;}$H₂↑+Cl₂↑+2NaOH，
22.4L 2mol
0.056L 0.5xmol
则x=$\frac{2mol×0.056L}{22.4L×0.5mol}$=0.01mol/L
则C（H⁺）=10^-12 mol/L，所以溶液的pH=12，
故答案为：12；
（4）①K₂CO₃溶液发生水解反应溶液呈碱性，方程式为：CO₃^2-+H₂O?HCO₃^-+OH^-；故答案为：CO₃^2-+H₂O?HCO₃^-+OH^-；
②若将等浓度的K₂CO₃ 和KHCO₃溶液等体积混合，CO₃^2-水解大于HCO₃^-离子的水解，溶液呈碱性，则
c（OH^-）＞c（H⁺），两种盐水解程度较小，则c（CO₃^2-）＞c（OH^-），故为c（K⁺）＞c（HCO₃^-）＞c（CO₃^2-）＞c（OH^-）＞c（H⁺），
故答案为：c（K⁺）＞c（HCO₃^-）＞c（CO₃^2-）＞c（OH^-）＞c（H⁺）；
③根据平衡常数K=$\frac{c（HCO{\;}_{3}{\;}^{-}）c（H{\;}^{+}）}{c（H{\;}_{2}CO{\;}_{3}）}$=$\frac{10{\;}^{-5.6}×10{\;}^{-5.6}}{1.5×10{\;}^{-5}}$=4.2×10^-7，故答案为：4.2×10^-7．

点评 本题考查较为全面，涉及热化学方程式的计算、电化学知识等知识，为高考高频考点，掌握反应热计算的方法、电化学原理尤为重要，题目难度中等．