Question

7．甲烷是天然气的主要成分，是生产生活中应用非常广泛的一种化学物质．
（1）一定条件下，用甲烷可以消除氮氧化物（NO_x）的污染．已知：
CH₄（g）+4NO（g）=2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）；△H₁=-1160kJ/mo
CH₄（g）+4NO₂（g）=4NO（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）；△H₂=-574kJ/mol
现有一份在相同条件下对H₂的相对密度为17的NO与NO₂的混合气体
①该混合气体中NO和NO₂的物质的量之比为3：1
②在一定条件下NO气体可以分解为NO₂气体和N₂气体，写出该反应的热化学方程式
4NO（g）=2NO₂（g）+N₂（g）△H=-293kJ/mol
（2）以甲烷为燃料的新型电池，其成本大大低于以氢为燃料的传统燃料电池，目前得到广泛的研究，如图是目前研究较多的一类固体氧化物燃料电池工作原理示意图．回答下列问题：
③B极为电池负极，电极反应式为CH₄-8e^-+4O^2-=CO₂+2H₂O．
④若用该燃料电池做电源，用石墨做电极电解100mL 1mol/L的硫酸铜溶液，写出阳极的电极反应式4OH^--4e^-=O₂↑+2H₂O，当两极收集到的气体体积相等时，理论上消耗的甲烷的体积为1.12L（标况下），实际上消耗的甲烷体积（折算到标况）比理论上大，可能原因为电池能量转化率达不到100%．

Answer 1

分析 （1）①相同条件下，不同气体的摩尔质量之比等于其密度之比，据此计算氮氧化物平均摩尔质量，再根据平均摩尔质量计算NO和二氧化氮的物质的量之比；
②根据盖斯定律及已知热化学方程式构造目标反应的热化学方程式；
（2）③B为负极，总反应式为CH₄+2O₂+=CO₂+2H₂O，正极反应式为：2O₂+8e^-=4O^2-，两式相减可得负极电极反应式；
④开始阶段发生反应：2Cu²⁺+2H₂O$\frac{\underline{\;通电\;}}{\;}$2Cu+O₂↑+4H⁺，铜离子完全放电后，发生反应2H₂O$\frac{\underline{\;通电\;}}{\;}$2H₂↑+O₂↑，阳极的电极反应式是氢氧根离子放电，当两极收集到的气体体积相等时，即氢气与氧气的体积相等，令是氢气为xmol，根据电子转移守恒列方程计算，再根据电子转移守恒计算消耗的甲烷；根据电池中的能量转化率分析．

解答 解：（1）①在相同条件下对H₂的相对密度为17的NO与NO₂的混合气体，相同条件下，气体的密度之比等于其摩尔质量之比，所以混合气体的摩尔质量为34g/mol，设n（NO）为x，n（NO₂）为y，
混合气体摩尔质量=$\frac{30xg+46yg}{（x+y）mol}$=34g/mol，x：y=3：1，
故答案为：3：1；
②CH₄（g）+4NO（g）=2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₁=-1160kJ/mol①
CH₄（g）+4NO₂（g）=4NO（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₁=-574 kJ/mol②
根据盖斯定律，$\frac{1}{2}$（①-②）得：4NO（g）=2NO₂（g）+N₂（g）△H=-293 kJ/mol，
故答案为：4NO（g）=2NO₂（g）+N₂（g）△H=-293 kJ/mol；
（2）③B为负极，总反应式为CH₄+2O₂+=CO₂+2H₂O，正极反应式为：2O₂+8e^-=4O^2-，两式相减，负极反应为：CH₄-8e^-+4O^2-=CO₂+2H₂O，
故答案为：负；CH₄-8e^-+4O^2-=CO₂+2H₂O；
④硫酸铜的物质的量=0.1L×1mol/L=0.1mol，开始阶段发生反应：2Cu²⁺+2H₂O$\frac{\underline{\;通电\;}}{\;}$2Cu+O₂↑+4H⁺，铜离子完全放电后，发生反应2H₂O$\frac{\underline{\;通电\;}}{\;}$2H₂↑+O₂↑，阳极的电极反应式：4OH^--4e^-=O₂↑+2H₂O；当两极收集到的气体体积相等时，即氢气与氧气的体积相等，令是氢气为xmol，根据电子转移守恒，则：0.1mol×2+2x=4x，解得x=0.1，根据电子转移守恒，可知消耗的甲烷物质的量=$\frac{0.1mol×4}{8}$=0.05mol，故消耗甲烷的体积=0.05mol×22.4L/mol=1.12L，原电池中发生反应时化学能不去全部转化为电能，即电池能量转化率达不到100%，所以实际上消耗的甲烷的体积比理论上大；
故答案为：4OH^--4e^-=O₂↑+2H₂O；1.12L；电池能量转化率达不到100%．

点评 本题考查了原电池和电解池工作原理、盖斯定律在热化学方程式计算中的应用，题目难度中等，明确原电池、电解池工作原理为解答关键，注意掌握盖斯定律的内容及应用方法．