Question

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)　ΔH₁

CH₄(g)＋4NO₂(g)===4NO(g)＋CO₂(g)＋2H₂O(g)　ΔH₂

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，用16 g甲烷气体催化还原该混合气体，恰好生成氮气、二氧化碳气体和水蒸气，共放出1042.8 kJ热量。

①该混合气体中NO和NO₂的物质的量之比为________。

②已知上述热化学方程式中ΔH₁＝－1160 kJ/mol，则ΔH₂＝________。

③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：______________。

(2)以甲烷为燃料的新型电池，其成本大大低于以氢气为燃料的传统燃料电池，目前得到广泛地研究，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：

④B极为电池________极，电极反应式为________________。

⑤若用该燃料电池作电源，用石墨作电极电解100 mL 1 mol/L的硫酸铜溶液，写出阳极的电极反应式：_______________，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______(标准状况下)，实际上消耗的甲烷体积(折算到标准状况)比理论上大，可能原因为________________。

Answer 1

解析：本题考查了热化学和电化学知识，意在考查考生综合运用所学知识的能力。(1)由“对H₂的相对密度为17”可知，平均相对分子质量为34，设NO为x mol，NO₂为y mol，则＝34，xy＝31。即NO为3y mol,16 g CH₄为1 mol，转移电子8 mol，由得失电子守恒得4y＋6y＝8，y＝0.8，最后没有NO，则0.2 mol×ΔH₂＋0.8 mol×ΔH₁＝－1042.8 kJ，ΔH₂＝－574 kJ/mol。由(第一个方程式－第二个方程式)÷2得4NO(g)===2NO₂(g)＋N₂(g)　ΔH＝－293 kJ/mol。(2)由电池工作原理示意图可知。B极通入的是甲烷，为负极，总反应为CH₄＋2O₂===CO₂＋2H₂O，正极反应为2O₂＋8e^－===4O^2－，总反应减去正极反应即得负极反应：CH₄＋4O^2－－8e^－===CO₂＋2H₂O。阳极的电极反应式为2H₂O－4e^－===O₂↑＋4H^＋；阴极首先发生Cu^2＋＋2e^－===Cu，当Cu^2＋消耗完毕，H^＋放电：2H^＋＋2e^－===H₂↑，设生成氢气和氧气都是x mol，则转移电子4x mol，0.2＋2x＝4x，x＝0.1 mol，转移0.4 mol电子消耗甲烷0.05 mol，体积为1.12 L(标准状况下)，消耗甲烷体积比理论上大，有可能是甲烷不完全被氧化生成C或CO(或电池能量转化率达不到100%等)。

答案：(1)①31(2分)　②－574 kJ/mol(2分)

③4NO(g)===2NO₂(g)＋N₂(g)　 ΔH＝－293 kJ/mol(2分)

(2)④负(2分)

CH₄＋4O^2－－8e^－===CO₂＋2H₂O(2分)

⑤2H₂O－4e^－===O₂↑＋4H^＋(2分)　1.12 L(2分)　甲烷不完全被氧化生成C或CO(或电池能量转化率达不到100%，其他合理答案也可)(2分)