Question

9．近年来雾霾天气多次肆虐我国部分地区．其中燃煤和汽车尾气是造成空气污染的原因之一．
（1）汽车尾气净化的主要原理为：2NO（g）+2CO（g）$\stackrel{催化剂}{?}$2CO₂（g）+N₂（g）．在密闭容器中发生该反应时，c（CO₂）随温度（T）和时间（t）的变化曲线如图1所示．据此判断：
①该反应的△H＜0（填“＜”或“＞”）．
②在T₂温度下，0～2s内的平均反应速率v（N₂）为0.025mol/（L•s）．
③若该反应在绝热、恒容的密闭体系中进行，图2中正确且能说明反应在进行到t₁时刻达到平衡状态的是c（填字母编号）．
（2）直接排放煤燃烧产生的烟气会引起严重的环境问题．煤燃烧产生的烟气中含氮的氧化物，用CH₄催化还原
NO_x可以消除氮氧化物的污染．
已知：CH₄（g）+2NO₂（g）═N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-867kJ/mol①
      2NO₂（g）?N₂O₄（g）△H=-56.9kJ/mol②
      H₂O（g）═H₂O（l）△H=-44.0kJ/mol③
写出CH₄催化还原N₂O₄（g）生成N₂和H₂O（l）的热化学方程式CH₄（g）+N₂O₄（g）═N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（l）△H═-898.1kJ/mol．
（3）甲烷燃料电池可以提升能量利用率．如图3是利用甲烷燃料电池电解100mL 1mol/L食盐水的装置，电解一段时间后，收集到标准状况下的氢气2.24L（设电解后溶液体积不变）．
①该燃料电池的负极反应式为CH₄-8e^-+2H₂O=CO₂+8H⁺．
②电解后溶液的pH约为14（忽略氯气与氢氧化钠溶液反应）．
③阳极产生气体的体积在标准状况下约为1.68L．

Answer 1

分析 （1）①根据到达平衡的时间判断温度高低，根据平衡时二氧化碳的浓度判断温度对平衡的影响，进而判断△H；
②由图可知，T₂温度平衡时，二氧化碳的浓度变化量为0.1mol/L，根据v=$\frac{△c}{△t}$计算v（CO₂），再根据速率之比等于化学计量数之比计算v（N₂）；
③a、到达平衡后正、逆速率相等，不再变化；
b、t₁时刻后二氧化碳、NO的物质的量发生变化，最后不再变化；
c、到达平衡后各组分的含量不发生变化；
（2）根据盖斯定律，由已知热化学方程式乘以适当的系数进行加减构造目标热化学方程式；
（3）①原电池负极发生氧化反应，甲烷在负极通入，酸性条件下，发生氧化反应生成CO₂、H⁺；
②根据电解氯化钠溶液的电解方程式来求溶液的pH；
③B装置为电解池，阳极是a，溶液中氯离子失电子生成氯气，氢氧根离子失电子生成氧气，依据电子守恒计算．

解答 解：（1）①由图1可知，温度T₁先到达平衡，故温度T₁＞T₂，温度越高平衡时，二氧化碳的浓度越低，说明升高温度平衡向逆反应移动，故正反应为放热反应，即为△H＜0，故答案为：＜；
②由图可知，T₂温度时2s到达平衡，平衡时二氧化碳的浓度变化量为0.1mol/L，故v（CO₂）=$\frac{0.1mol/L}{2s}$=0.05mol/（L•s），速率之比等于化学计量数之比，故v（N₂）=$\frac{1}{2}$v（CO₂）=$\frac{1}{2}$×0.05mol/（L•s）=0.025mol/（L•s），
故答案为：0.025mol/（L•s）；
③a、到达平衡后正、逆速率相等，不再变化，t₁时刻V_正最大，之后随反应进行速率发生变化，未到达平衡，故a错误；
b、t₁时刻后二氧化碳、NO的物质的量发生变化，t₁时刻未到达平衡状态，故b错误；
c、NO的质量分数为定值，t₁时刻处于平衡状态，故c正确，
故答案为：c；
（2）已知：①CH₄（g）+2NO₂（g）═N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₁=-867kJ/mol②2NO₂（g）?N₂O₄（g）△H₂=-56.9kJ/mol
③H₂O（g）=H₂O（l）△H=-44.0kJ•mol^-1
根据盖斯定律，①-②+③×2得：CH₄（g）+N₂O₄（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（l），
故△H=-867kJ/mol-（-56.9kJ/mol）-44.0kJ•mol^-1×2=-898.1kJ/mol，
即CH₄（g）+N₂O₄（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（l），△H=-898.1kJ/mol，
故答案为：CH₄（g）+N₂O₄（g）═N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（l）△H═-898.1kJ/mol；
（3）①原电池负极发生氧化反应，甲烷在负极通入，酸性条件下，发生氧化反应生成CO₂、H⁺，负极电极反应式为：CH₄-8e^-+2H₂O=CO₂+8H⁺，
故答案为：CH₄-8e^-+2H₂O=CO₂+8H⁺；
②由方程式：2NaCl+2H₂O$\frac{\underline{\;通电\;}}{\;}$2NaOH+H₂↑+Cl₂↑
           2      2                  22.4
0.1L×1mol/L    0.1                  2.24L
由题可知：之后反应为直接电解水，溶液pH值不改变，C（H⁺）=$\frac{\frac{1{0}^{-14}}{0.1}}{0.1}$=10^-14，所以pH=14，
故答案为：14；
③甲烷燃料电池电解100mL 1mol/L食盐水，溶液中n（Cl^-）=0.1mol，电解一段时间后，收集到标准状况下的氢气2.24L，物质的量为0.1mol，依据电解反应和电子守恒分析，阴极2H⁺+2e^-=H₂↑，电子转移0.2mol，阳极电极反应：2Cl^--2e^-=Cl₂↑，0.1mol氯离子失电子0.1mol生成氯气0.05mol气体，所以氢氧根离子失电子0.1mol，4OH^--4e^-=2H₂O+O₂↑，转移0.1mol电子生成氧气0.025mol，共生成气体物质的量=0.05mol+0.025mol=0.075mol，标准状况气体体积=0.075mol×22.4L/mol=1.68L，故答案为：1.68．

点评 本题考查了盖斯定律求焓变、化学平衡影响因素，化学反应速率，平衡常数概念计算应用，原电池电解池原理的分析应用，注意平衡的条件分析，电极反应和电子守恒的计算是解题关键，题目难度中等．