Question

16．目前，消除氮氧化物污染有多种方法．
（1）用CH₄催化还原氮氧化物可以消除氮氧化物的污染．已知：
①CH₄ （g）+4NO₂ （g）=4NO（g）+CO₂ （g）+2H₂ O（g）△H=-574kJ•mol^-1
②CH₄ （g）+4NO（g）=2N₂ （g）+CO₂ （g）+2H₂ O（g）△H=-1160kJ•mol^-1
③H₂O（g）=H₂O（l）△H=-44.0kJ•mol^-1
写出CH₄（g）与NO₂（g）反应生成N₂（g）、CO₂（g）和H₂O（l）的热化学方程式CH₄（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-955kJ•mol^-1
（2）用活性炭还原法处理氮氧化物．有关反应为：C（s）+2NO（g）?N₂ （g）+CO₂ （g）某研究小组向恒容密闭容器加入一定的活性炭和NO，恒温条件下反应，反应进行到不同时间测得各物质的浓度如下

	NO	N2	CO2
0	0.100	0	0
10	0.058	0.021	0.021
20	0.040	0.030	0.030
30	0.040	0.030	0.030
40	0.032	0.034	0.017
50	0.032	0.034	0.017

①不能作为判断反应达到化学平衡状态的依据是BC
A．容器内CO₂的浓度保持不变 B．v_正（N₂）=2v_正（NO）
C．容器内压强保持不变 D．混合气体的密度保持不变
E．混合气体的平均相对分子质量保持不变
②在该温度下时．该反应的平衡常数为0.56（保留两位小数）；
③在30min，改变某一条件，反应重新达到平衡，则改变的条件是减小二氧化碳浓度．
（3）合成塔失去活性的铬锌触媒可用于制备锌锰电池．在碱性条件下，该电池的总反应为：
Zn（s）+2MnO₂ （s）+H₂O（l）=Zn（OH）₂ （s）+Mn₂O₃（s），该电池正极的电极反应式是2MnO₂+2e^-+H₂O=2OH^-+Mn₂O₃．PbO₂ 可以通过石墨为电极，Pb（NO₃）₂和Cu（NO₃）₂的混合溶液为电解液电解制取．阳极发生反应的电极反应式为Pb²⁺+2H₂O-2e^-=PbO₂+4H⁺，阴极上观察到的现象是；石墨上红色物质析出若电解液中不加入Cu（NO₃）₂这样做的主要缺点是Pb将在阴极析出，Pb²⁺不能得到有效应用．

Answer 1

分析 （1）根据盖斯定律计算得到所需热化学方程式，标注物质聚集状态和对应反应焓变；
（2）①依据化学平衡状态的实质是正逆反应速率相等，结合反应特征分析判断；
②20min-30min反应达到平衡，图表中平衡浓度，依据平衡常数的概念计算得到；
③依据图表数据变化分析，30min末一氧化氮和二氧化碳浓度减小，氮气浓度增大，结合计算平衡常数和浓度变化分析判断；改变的条件可能是减小二氧化碳浓度；
（3）正极发生还原反应，得电子化合价降低，二氧化锰中的锰元素由+4价变成+3价，故正极是二氧化锰发生还原反应，电极反应式为：2MnO₂+2e^-+H₂O=2OH^-+Mn₂O₃，阳极上Pb²⁺失去电子，得到PbO₂，需要水参与反应，同时生成氢离子，阴极上，Cu²⁺获得电子生成Cu，附着在石墨电极上；
若电解液中不加入Cu（NO₃）₂，阴极上Pb²⁺获得电子生成Pb，Pb²⁺生成PbO₂的利用率降低．

解答 解：（1）①CH₄（g）+4NO₂（g）═4NO（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-574kJ•mol^-l
②CH₄（g）+4NO（g）═2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂ O（g）△H=-1160kJ•mol^-l
③H₂O（g）═H₂O（l）△H=-44.0kJ•mol^-l
依据盖斯定律计算[①+②+③×4]×$\frac{1}{2}$得到CH₄（g）与NO₂（g）反应生成N₂（g）、CO₂（g）和H₂O（l）的热化学方程式：CH₄（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-955 kJ•mol^-1；
故答案为：CH₄（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-955 kJ•mol^-1；
（2）①C（s）+2NO（g）?N₂（g）+CO₂（g）．反应是气体体积不变的反应；
A．容器内CO₂的浓度保持不变说明反应达到平衡状态，故A正确；
B．反应速率之比等于化学方程式系数之比，当v_正（NO）=2v_逆（N₂），反应达到平衡，v_正（NO）=2v_正（N₂），只能说明反应正向进行，故B错误；
C．反应是气体体积不变的反应，反应过程中和反应平衡状态压强相同，所以容器内压强保持不变不能说明反应达到平衡，故C错误；
D．混合气体密度等于质量除以体积，反应中碳是固体，平衡移动气体质量变化，体积不变，所以混合气体的密度保持不变，说明反应达到平衡，故D正确；
E．混合气体的平均相对分子质量等于气体总质量除以总物质的量，反应中碳是固体，平衡移动，气体质量发生变化，气体物质的量不变，混合气体的平均相对分子质量保持不变，说明反应达到平衡状态，故E正确；
故选BC；
②20-30min反应达到平衡状态，C（s）+2NO（g）?N₂ （g）+CO₂ （g），各物质的平衡浓度为：c（CO₂）=c（N₂）=0.3mol/L；c（NO）=0.4mol/L，反应的平衡常数为：K=$\frac{c（C{O}_{2}）c（{N}_{2}）}{{c}^{2}（NO）}$=$\frac{0.3×0.3}{0．{4}^{2}}$=0.56，故答案为：0.56；
③30min时改变某一条件，反应重新达到平衡，依据平衡常数计算得到c（N₂）=0.34mol/L；c（CO₂）=0.17mol/L；c（NO）=0.32mol/L；K=$\frac{c（C{O}_{2}）c（{N}_{2}）}{{c}^{2}（NO）}$=$\frac{0.34×0.17}{0.3{2}^{2}}$=0.56，化学平衡常数随温度变化，平衡常数不变说明改变的条件一定不是温度；依据数据分析，氮气浓度增大，二氧化碳和一氧化氮浓度减小，反应前后气体体积不变，所以减小二氧化碳浓度，平衡正向进行的结果，故答案为：减小二氧化碳浓度；
（3）正极发生还原反应，得电子化合价降低，二氧化锰中的锰元素由+4价变成+3价，故正极是二氧化锰发生还原反应，电极反应式为：2MnO₂+2e^-+H₂O=2OH^-+Mn₂O₃，阳极上Pb²⁺失去电子，得到PbO₂，需要水参与反应，同时生成氢离子，电极反应式为：Pb²⁺+2H₂O-2e^-=PbO₂+4H⁺，阴极上，Cu²⁺获得电子生成Cu，附着在石墨电极上，即石墨上红色物质析出；
若电解液中不加入Cu（NO₃）₂，阴极上Pb²⁺获得电子生成Pb，阴极电极反应式为：Pb²⁺+2e^-=Pb，Pb²⁺的利用率降低；
故答案为：2MnO₂+2e^-+H₂O=2OH^-+Mn₂O₃；Pb²⁺+2H₂O-2e^-=PbO₂+4H⁺；石墨上红色物质析出；Pb将在阴极析出，Pb²⁺不能得到有效应用．

点评 本题考查了热化学方程式的书写和盖斯定律计算应用，化学反应速率、化学平衡常数及其化学平衡影响因素和平衡标志的分析判断，题目难度中等．