Question

18．工业上产生的氮氧化物可用天然气来处理．
Ⅰ．已知：CH₄（g）+2O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（l）△H₁
        N₂（g）+2O₂（g）=2NO₂（g）△H₂
        H₂O（l）=H₂O（g）△H₃
        CH₄（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=△H₁-△H₂+2△H₃（用△H₁、△H₂、△H₃）
Ⅱ．在温度为T₁℃和T₂℃时，分别将0.50molCH₄和1.2molNO₂充入体积固定的2L密闭容器中，发生上述可逆反应，测得不同时刻的n（CH₄）数据如下表：

温度	时间/min n/mol	0	10	20	40	50
T1℃	n（CH4）	0.50	0.35	0.25	0.10	0.10
T2℃	n（CH4）	0.50	0.30	0.18	0.15	0.15

（1）分析上表中数据，下列说法正确的是BC
A．T₁℃、前10min，V（NO₂）=0.03mol/（L•min）
B．T₁℃、反应达化学平衡状态时，CH₄的转化率为80%
C．T₂℃、反应在40min时处于平衡状态
D．T₁＞T₂
（2）反应的平衡常数K（T₁）＞K（T₂），△H＜0，理由是由表中数据可知，T₂时反应速率较大，所以T₁＜T₂；升高温度平衡逆向移动，可知K（T₁）＞K（T₂），所以正反应放热．
（3）T₁℃时反应的平衡常数K为3.2．
（4）反应在T₁℃下进行，50min时，向平衡后的容器中再通入0.10molCH₄和0.40molNO₂，在下图中画出恒温，重新达到平衡过程中n（CH₄）随时间变化的曲线（只要求画出n（CH₄）的变化趋势，不需要准确画出再次平衡后n（CH₄）．
Ⅲ．NO₂、O₂和熔融NaNO₃可制作燃料电池，其原理见下图．该电池在使用过程中石墨Ⅰ电极上生成氧化物Y，其电极反应式为NO₂-e^-+NO₃^-=N₂O₅．

Answer 1

分析 Ⅰ．已知：①CH₄（g）+2O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（l）△H₁
②N₂（g）+2O₂（g）=2NO₂（g）△H₂
③H₂O（l）=H₂O（g）△H₃
根据盖斯定律，①-②+③×2可得：CH₄（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）；
Ⅱ．（1）A．根据v=$\frac{△c}{△t}$计算v（CH₄），再根据速率之比等于化学计量数之比计算v（NO₂）；
B．T₁℃时，40min反应处于化学平衡状态，可知参加反应甲烷为0.5mol-0.1mol=0.4mol，再计算CH₄的转化率；
C．T₂℃时，反应在40min、50min时甲烷均为0.15mol，则40min处于平衡状态；
D．温度越高，反应速率越快，相同时间内参加反应的甲烷越多；
（2）前10min内，温度T₂℃时参加反应的甲烷更多，故温度T₂＞T₁，而平衡时温度T₂℃时甲烷的物质的量更大，说明升高温度平衡向逆反应移动，正反应为放热反应；
（3）T₁℃时，平衡时甲烷为0.1mol，则：
          CH₄（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）
开始（mol）：0.5     1.2       0      0        0
转化（mol）：0.4     0.8       0.4    0.4      0.8
平衡（mol）：0.1     0.4       0.4    0.4      0.8
再根据平衡常数表达式K=$\frac{c（{N}_{2}）×c（C{O}_{2}）×{c}^{2}（{H}_{2}O）}{c（C{H}_{4}）×{c}^{2}（N{O}_{2}）}$计算；
（4）反应在T₁℃下进行，50min时，向平衡后的容器中再通入0.10molCH₄和0.40molNO₂，瞬间甲烷的物质的量变为0.2mol，而后平衡向正反应方向移动，甲烷的物质的量减小，但到达新平衡时甲烷的物质的量大于0.1mol；
Ⅲ．NO₂、O₂和熔融NaNO₃可制作燃料电池，该电池在使用过程中石墨Ⅰ电极上生成氧化物Y，Y为五氧化二氮，石墨I上是二氧化氮失去电子，与硝酸根离子反应生成五氧化二氮，石墨II上是氧气获得电子，与五氧化二氮获反应生成硝酸根．

解答 解：Ⅰ．已知：①CH₄（g）+2O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（l）△H₁
②N₂（g）+2O₂（g）=2NO₂（g）△H₂
③H₂O（l）=H₂O（g）△H₃
根据盖斯定律，①-②+③×2可得：CH₄（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g），则△H=△H₁-△H₂+2△H₃，
故答案为：△H₁-△H₂+2△H₃；
Ⅱ（1）A．前10min内v（CH₄）=$\frac{\frac{0.5mol-0.35mol}{2L}}{10min}$=0.0075mol/（L．min），速率之比等于化学计量数之比，则v（NO₂）=2v（CH₄）=0.015mol/（L．min），故A错误；
B．T₁℃时，40min反应处于化学平衡状态，可知参加反应甲烷为0.5mol-0.1mol=0.4mol，CH₄的转化率为$\frac{0.4mol}{0.5mol}$×100%=80%，故B正确；
C．T₂℃时，反应在40min、50min时甲烷均为0.15mol，则40min处于平衡状态，故C正确；
D．前10min内T₂℃时参加反应的甲烷越多，反应速率快，故温度T₁＜T₂，故D错误，
故选：BC；
（2）前10min内，温度T₂℃时参加反应的甲烷更多，故温度T₂＞T₁，而平衡时温度T₂℃时甲烷的物质的量更大，说明升高温度平衡向逆反应移动，正反应为放热反应，故平衡常数：K（T₁）＞K（T₂），△H＜0，
故答案为：＞；＜；由表中数据可知，T₂时反应速率较大，所以T₁＜T₂；升高温度平衡逆向移动，可知K（T₁）＞K（T₂），所以正反应放热；
（3）T₁℃时，平衡时甲烷为0.1mol，则：
          CH₄（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）
开始（mol）：0.5     1.2      0       0        0
转化（mol）：0.4     0.8      0.4     0.4     0.8
平衡（mol）：0.1     0.4      0.4     0.4     0.8
则平衡常数K=$\frac{c（{N}_{2}）×c（C{O}_{2}）×{c}^{2}（{H}_{2}O）}{c（C{H}_{4}）×{c}^{2}（N{O}_{2}）}$=$\frac{\frac{0.4}{2}×\frac{0.4}{2}×（\frac{0.8}{2}）^{2}}{\frac{0.1}{2}×（\frac{0.4}{2}）^{2}}$=3.2，
故答案为：3.2；
（4）反应在T₁℃下进行，50min时，向平衡后的容器中再通入0.10molCH₄和0.40molNO₂，瞬间甲烷的物质的量变为0.2mol，而后平衡向正反应方向移动，甲烷的物质的量减小，但到达新平衡时甲烷的物质的量大于0.1mol，重新达到平衡过程中n（CH₄）随时间变化的曲线的变化趋势：，
故答案为：；
Ⅲ．NO₂、O₂和熔融NaNO₃可制作燃料电池，该电池在使用过程中石墨Ⅰ电极上生成氧化物Y，Y为五氧化二氮，石墨I上是二氧化氮失去电子，与硝酸根离子反应生成五氧化二氮，石墨II上是氧气获得电子，与五氧化二氮获反应生成硝酸根，石墨I上电极反应式为：NO₂-e^-+NO₃^-=N₂O₅，
故答案为：NO₂-e^-+NO₃^-=N₂O₅．

点评 本题考查化学平衡计算、化学平衡影响因素、反应热计算、电极反应式书写等，需要学生具备扎实的基础与灵活运用知识的能力，难度中等．