Question

14．碳、氮及其化合物在工农业生产生活中有着重要作用．请回答下列问题：
（1）用CH₄ 催化还原NO_x 可以消除氮氧化物的污染．例如：
CH₄（g）+4NO₂（g）=4NO（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₁=-574 kJ•molˉ¹
CH₄（g）+4NO（g）=2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₂
若2 mol CH₄ 还原NO₂ 至N₂，整个过程中放出的热量为1734 kJ，则△H₂=-1160kJ/mol；
（2）据报道，科学家在一定条件下利用Fe₂O₃与甲烷反应可制取“纳米级”的金属铁．其反应为：
Fe₂O₃（s）+3CH₄（g）?2Fe（s）+3CO（g）+6H₂（g）△H＞0
①若反应在5L的密闭容器中进行，1min后达到平衡，测得Fe₂O₃在反应中质量减少3.2g．则该段时间内CO的平均反应速率为0.012mol/（L•min）．
②若该反应在恒温恒压容器中进行，能表明该反应达到平衡状态的是bd
a．CH₄的转化率等于CO的产率
b．混合气体的平均相对分子质量不变
c．v（CO）与v（H₂）的比值不变
d．固体的总质量不变
③该反应达到平衡时某物理量随温度变化如图1所示，当温度由T₁升高到T₂时，平衡常数K_A＜K_B（填“＞”、“＜”或“=”）．纵坐标可以表示的物理量有哪些bc．
a．H₂的逆反应速率
b．CH₄的体积分数
c．混合气体的平均相对分子质量
d．CO的体积分数
（3）甲烷燃料电池可以提升能量利用率．如图2所示是利用甲烷燃料电池电解50ml2mol/L的氯化铜溶液的装置示意图：
请回答：
①甲烷燃料电池的负极反应式是：CH₄-8e^-+10OH^-=CO₃^2-+7H₂O．
②当A中消耗0.05mol氧气时，B中b极（填“a”或“b”）增重6.4g．
（4）工业合成氨气需要的反应条件非常高且产量低，而一些科学家采用高质子导电性的SCY陶瓷（能传递H⁺）实现氨的电化学合成，从而大大提高了氮气和氢气的转化率．电化学合成氨过程的总反应式为：N₂+3H₂$\stackrel{一定条件}{?}$2NH₃，该过程中还原反应的方程式为N₂+6H⁺+6e^-=2NH₃．

Answer 1

分析 （1）根据盖斯定律书写二氧化氮转化为氮气的热化学方程式，从而计算反应热；
（2）①结合题干计算铁物质的量，根据化学方程式定量关系计算甲烷消耗的物质的量，依据化学反应速率概念计算得到；
②反应达到平衡状态时，正逆反应速率相等，各组分浓度保持不变，据此分析；
③该反应是正反应气体体积增大的吸热反应，升温平衡正向移动，据此分析；
（3）①甲烷燃料碱性电池中，负极上甲烷失电子和氢氧根生成水和碳酸根；
②b电极为阴极，阴极上铜离子放电生成Cu，根据Cu和转移电子之间的关系式计算；
（4）根据题目信息以及阴极得电子发生还原反应．

解答 解：（1）CH₄（g）+4NO₂（g）=4NO（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₁=-574kJ•mol^-1①
CH₄（g）+4NO（g）=2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₂②
若1mol CH₄还原NO₂至N₂，整个过程中放出的热量为867kJ，
将热化学方程式$\frac{①+②}{2}$得热化学反应方程式为CH₄（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=$\frac{-574+△{H}_{2}}{2}$kJ/mol=-867kJ/mol，△H₂=-1160kJ/mol，
故答案为：-1160kJ/mol；
（2）①若反应在5L的密闭容器中进行，1min后达到平衡，测得Fe₂O₃在反应中质量减少3.2g的物质的量=$\frac{3.2g}{106g/mol}$=0.02mol，结合化学方程式，Fe₂O₃（s）+3CH₄（g）═2Fe（s）+3CO（g）+6H₂（g），计算反应的甲烷物质的量为0.06mol，则该段时间内CH₄的平均反应速率=$\frac{\frac{0.06mol}{5L}}{1min}$=0.012mol/（L•min），
故答案为：0.012mol/（L•min）；
②a．CH₄的转化率与CO的产率与是否达到平衡状态无关，故a错误；
b．反应前后气体的物质的量和质量都不同，所以混合气体的平均相对分子质量不变说明反应达到平衡状态，故b正确；
c、v（CO）与v（H₂）的比值始终不变，所以其不能说明反应达到平衡状态，故c错误；
d、固体的总质量不变，说明正逆反应速率相等，反应达到平衡状态，故d正确；故答案为：bd；
③Fe₂O₃（s）+3CH₄（g）═2Fe（s）+3CO（g）+6H₂（g）△H＞0，反应是气体体积增大的吸热反应，升温平衡正向移动，平衡常数增大，K_A＜K_B；
a．H₂的逆反应速率随温度的升高而增大，故a错误；
b．升温平衡正向移动，CH₄的体积分数减小，故b正确；
c．升温平衡正向移动，混合气体的平均相对分子质量减小，故c正确；
d．升温平衡正向移动，CO的体积分数增大，故d错误；故答案为：＜；bc；
（3）①甲烷燃料碱性电池中，负极上甲烷失电子和氢氧根生成水和碳酸根，电极反应为CH₄-8e^-+10OH^-=CO₃^2-+7H₂O，故答案为：CH₄-8e^-+10OH^-=CO₃^2-+7H₂O；
②A中消耗0.05mol氧气时，转移0.2mol电子，b电极为阴极，阴极上铜离子放电生成Cu，根据Cu和转移电子之间的关系式得析出Cu的质量=$\frac{0.2mol}{2}$×64g/mol=6.4g，故答案为：b；6.4；
（4）阴极得电子发生还原反应：N₂+6H⁺+6e^-=2NH₃，故答案为：N₂+6H⁺+6e^-=2NH₃．

点评 本题综合考查学生有关电化学、热化学、化学反应速率和平衡的有关计算等知识，综合性较强，难度大．