Question

2．汽车尾气作为空气污染的主要来源之一，其中含有大量的有害物质，包括CO、NO_x、碳氢化合物和固体悬浮颗粒等．为汽车尾气的治理，环境工作者面临着巨大的挑战．试回答以下问题：

（1）用CH₄催化还原NO，可以消除氮氧化物的污染．已知：
①CH₄（g）+4NO（g）═2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-1160kJ•mol^-1
②CH₄（g）+4NO₂（g）═4NO（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-574kJ•mol^-1
由CH₄将NO₂完全还原成N₂，生成CO₂和水蒸气的热化学方程式是CH₄（g）+2NO₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（g）+N₂（g）△H=-867kJ•mol^-1．
（2）NO_x也可以被NaOH溶液吸收而生成NaNO₃、NaNO₂，已知某温度下，HNO₂的电离常数K=-9.7×10^-4，NO₂^-的水解常数K=-8.0×10^-10，则该温度下水的离子积常数=K_a×K_h（用含K_a、K_b的代数式表示），此时溶液的温度＞25℃（填“＞”“＜”或“=”）．
（3）化工上利用CO合成甲醇，反应的热化学方程式为CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H=-90.8kJ•mol^-1．不同温度下，CO的平衡转化率与压强的关系如图1所示，图中T₁、T₂、T₃的高低顺序是T₁＜T₂＜T₃，理由是该反应为放热，温度越高，反应物的转化率越低．
（4）化工上还可以利用CH₃OH生产CH₃OCH₃．在体积均为1.0L的恒容密闭容器中发生反应2CH₃OH（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）．

容器换号	温度（℃）	起始物质的量（mol）	平衡物质的量（mol）
		CH3OH（g）	CH3OCH2（g）	H2O（g）
Ⅰ	387	0.20	0.080	0.080
Ⅱ	207	0.20	0.090	0.090

该反应的正反应放热为反应（填“放热”或“吸热”）．若起始时向容器I中充入CH₃OH 0.15mol、CH₃OCH₃0.15mol和H₂O 0.10mol，则反应将向正方向进行（填“正”或“逆”）．
（5）CH₃OH燃料电池在便携式通讯设备、汽车等领域有着广泛的应用．已知电池工作时的总反应方程式为2CH₃OH+3O₂═2CO₂+4H₂O，电池工作时的示意图如图2所示．质子穿过交换膜移向N电极区（填“M”或“N”），负极的电极反应式为CH₃OH+H₂O-6e^-=CO₂+6H⁺．

Answer 1

分析 （1）CH₄（g）+4NO₂（g）?4NO（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-574kJ•mol^-1①
CH₄（g）+4NO（g）?2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-1160kJ•mol^-1②
将方程式 $\frac{①+②}{2}$得甲烷直接将NO₂还原为N₂的热化学方程式；
（2）依据亚硝酸根离子水解平衡常数表达式变式计算分析；
（3）正反应放热，则升高温度CO的转化率降低；
（4）对比I、Ⅱ可知，升高温度CH₃OCH₃（g）的物质的量减小，说明平衡逆向移动，而升高温度平衡向吸热反应移动；
根据I中数据计算平衡常数，计算此时浓度商Qc，若Qc=K，处于平衡状态，若Qc＜K，反应向正反应进行，若Qc＞K，反应向逆反应进行；
（5）原电池中阳离子移向正极，负极是甲醇失电子发生氧化反应，依据电池反应和酸性环境，2CH₃OH+3O₂=2CO₂+4H₂O，负极电极反应为：CH₃OH+H₂O-6e^-=CO₂+6H⁺，正极是氧气得到电子发生还原反应，氧气得到电子生成氢氧根离子，在图中是酸性介质，电极反应产物应写成水的形式；电池的正极反应式为：O₂+4H⁺+4e^-=2H₂O；

解答 解：（1）CH₄（g）+4NO₂（g）?4NO（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-574kJ•mol^-1①
CH₄（g）+4NO（g）?2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-1160kJ•mol^-1②
将方程式$\frac{①+②}{2}$CH₄（g）+2NO₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（g）+N₂（g）△H=$\frac{-574-1160}{2}$kJ/mol=-867kJ•mol^-1，
故答案为：CH₄（g）+2NO₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（g）+N₂（g）△H=-867kJ•mol^-1；
（2）NO₂^-+H₂O?HNO₂+OH^-，Kh=$\frac{c（HN{O}_{2}）c（O{H}^{-}）}{c（N{{O}_{2}}^{-}）}$=$\frac{c（HN{O}_{2}）c（O{H}^{-}）}{c（N{{O}_{2}}^{-}）}$×$\frac{c（{H}^{+}）}{C（{H}^{+}）}$=$\frac{Kw}{Ka}$，则Kw=Kh×Ka=8.0×10^-10mol•L^-1×9.7×10^-4mol•L^-1=7.76×10^-13，＞常温下Kw=10^-14，温度高于常温，＞25°C，
故答案为：K_a×K；＞；
（3）根据该反应为放热反应，温度越高CO的转化率越小，图中T₁、T₂、T₃的高低顺序T₁＜T₂＜T₃，
故答案为：T₁＜T₂＜T₃，该反应为放热，温度越高，反应物的转化率越低；
（4）对比I、Ⅱ可知，升高温度CH₃OCH₃（g）的物质的量减小，说明平衡逆向移动，而升高温度平衡向吸热反应移动，则正反应为放热反应，容器Ⅰ中平衡时c（CH₃OCH₃）=c（H₂O）=$\frac{0.08mol}{1L}$=0.080mol/L，c（CH₃OH）=$\frac{0.2mol-0.08mol×2}{1L}$=0.04mol/L，容器Ⅰ中化学平衡常数K₁=$\frac{0.08×0.08}{0.0{4}^{2}}$=4，此时浓度商Qc=$\frac{0.15×0.1}{0.1{5}^{2}}$=0.67＜K=4，反应向正反应进行，
故答案为：放热，正；
（5）图分析可知a端电极N为正极，质子穿过交换膜移向N电极，M电极为负极，负极是甲醇失电子发生氧化反应，依据电池反应和酸性环境，2CH₃OH+3O₂=2CO₂+4H₂O，负极电极反应为：CH₃OH+H₂O-6e^-=CO₂+6H⁺，故答案为：N，CH₃OH+H₂O-6e^-=CO₂+6H⁺．

点评 本题目综合考查盖斯定律的应用、化学反应平衡常数的计算和应用、图象分析判断等方面的知识，侧重于影响平衡移动及平衡常数的因素的考查，注意知识的归纳和整理是关键，题目难度中等．注意料电池反应的特点．