Question

20．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=-574kJ•mol^-1
CH₄（g）+4NO（g）=2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₂
若2mol CH₄还原NO₂至N₂，整个过程中放出的热量为1734kJ，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．
其反应如下：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^-1•min^-1．
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（选填序号）
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）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?一定条件2NH₃，该过程中正极反应的方程式为N₂+6H⁺+6e^-=2NH₃．
（4）若往20mL 0.0lmol•L^-l的弱酸HNO₂溶液中逐滴加入一定浓度的烧碱溶液，测得混合溶液的温度变化如图2所示，下列有关说法正确的是②③
①该烧碱溶液的浓度为0.02mol•L^-1
②该烧碱溶液的浓度为0.01mol•L^-1
③HNO₂的电离平衡常数：b点＞a点
④从b点到c点，混合溶液中一直存在：c（Na⁺）＞c（NO₂^-）＞c（OH^-）＞c（H⁺）

Answer 1

分析 （1）CH₄（g）+4NO₂（g）=4NO（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₁=-574kJ•mol^-1 ①
CH₄（g）+4NO（g）=2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₂ ②
①+②得：2CH₄（g）+4NO₂（g）=2CO₂（g）+4H₂O（g）+2N₂（g）根据盖斯定律以及热化学方程式的意义来解答；
（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）燃料电池中，正极上氧化剂得电子发生还原反应；
（4）①②HNO₂是弱酸，次氯酸电离是吸热反应，酸碱中和反应是放热反应，当恰好完全中和时放出热量最多，据此确定c（NaOH）；
③电离吸热，温度越高电离平衡常数越大；
④当c（NaOH）较大时，可能出现：c（Na⁺）＞c（OH^-）＞c（NO₂^-）＞c（H⁺）．

解答 解：（1）CH₄（g）+4NO₂（g）=4NO（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₁=-574kJ•mol^-1 ①
CH₄（g）+4NO（g）=2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₂ ②
根据盖斯定律得：2CH₄（g）+4NO₂（g）=2CO₂（g）+4H₂O（g）+2N₂（g）△H₁+△H₂
而 1mol CH₄还原NO₂至N₂，整个过程中放出的热量为867kJ，所以△H₁+△H₂=-1734kJ•mol^-1，则△H₂=-1734kJ•mol^-1+574kJ•mol^-1=-1160 kJ•mol^-1，
故答案为：-1160kJ•mol^-1；
（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=$\frac{3.2g}{160g/mol}$=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）燃料电池中，正极上氮气得电子和氢离子发生还原反应生成氨气，电极反应式为N₂+6H⁺+6e^-=2NH₃，故答案为：N₂+6H⁺+6e^-=2NH₃；
（4）①HNO₂是弱酸，次氯酸电离是吸热反应，酸碱中和反应是放热反应，当恰好完全中和时放出热量最多，c（NaOH）=$\frac{0.02L×0.01mol/L}{0.020l}$=0.01mol/L；
故①错误，②正确；
③电离吸热，温度越高电离平衡常数越大，所以HNO₂的电离平衡常数：b点＞a点，故③正确；
④从b点到c点，当C（NaOH）较大时，可能出现：c（Na⁺）＞c（OH^-）＞c（NO₂^-）＞c（H⁺），故④错误；
故答案为：②③．

点评 本题综合考查学生有关热化学、化学反应速率和平衡的有关计算等知识，综合性较强，题目难度较大，注意知识的迁移应用是关键．