Question

17．汽车尾气中的NO_x是大气污染物之一，用CH₄催化还原NO_x可以消除氮氧化物的污染．
（1）已知：
①CH₄（g）+4NO₂（g）$\stackrel{催化剂}{?}$ 4NO（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₁=-574kJ•mol^-1
②CH₄（g）+4NO（g）$\stackrel{催化剂}{?}$ 2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₂=-1160kJ•mol^-1
③CH₄（g）+2NO₂（g） $\stackrel{催化剂}{?}$N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）
△H₃=-867kJ•mol^-1．
（2）反应③在热力学上趋势很大，其原因是此反应放出的热量十分大．在固定容器中按一定比例混合CH₄与NO₂后，提高NO₂转化率的反应条件是低温、低压
（3）在130℃和180℃时，分别将0.50mol CH₄和a mol NO₂充入1L的密闭容器中发生反应③，测得有关数据如表：

实验编号	温度		0分钟	10分钟	20分钟	40分钟	50分钟
1	130℃	n（CH4）/mol	0.50	0.35	0.25	0.10	0.10
2	180℃	n（CH4）/mol	0.50	0.30	0.18		0.15

①开展实验1和实验2的目的是研究温度对该化学平衡的影响．
②130℃时，反应到20分钟时，NO₂的反应速率是0.0125mol/（L•min）．
③180℃时达到平衡状态时，CH₄的平衡转化率为70%．
④已知130℃时该反应的化学平衡常数为6.4，试计算a=1.2．
（4）NO₂、O₂和熔融NaNO₃可制作燃料电池，其原理如图．该电池在使用过程中石墨I电极上生成氧化物Y，该电极反应为NO₂+NO₃^--e^-=N₂O₅．

Answer 1

分析 （1）①CH₄（g）+4NO₂（g）═4NO（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-574kJ•mol^-1
②CH₄（g）+4NO（g）═2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-1160kJ•mol^-1，（①+②）×$\frac{1}{2}$得CH₄（g）+2NO₂（g） $\stackrel{催化剂}{?}$N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g））△H=-867kJ•mol^-1，据此进行分析；
（2）依据热化学方程式方向可知，该反应放热量大，即反应物和生成物的能量差大，因此热力学趋势大；有利于提高NO₂转化率的反应条件是需要改变条件使平衡正向进行；
（3）①根据实验1、2的不同点确定实验目的；
②据v=$\frac{△c}{△t}$进行计算；
③甲烷的转化率=$\frac{（0.5-0.15）mol}{0.5mol}$=70%；
④根据平衡常数计算a；
（4）该原电池中通入二氧化氮的电极是负极、通入氧气的电极是正极，所以I是负极、II是正极，负极上生成氧化物，应该是二氧化氮失电子和硝酸根离子反应生成五氧化二氮．

解答 解：（1）①CH₄（g）+4NO₂（g）═4NO（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-574kJ•mol^-1
②CH₄（g）+4NO（g）═2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-1160kJ•mol^-1，（①+②）×$\frac{1}{2}$得CH₄（g）+2NO₂（g） $\stackrel{催化剂}{?}$N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g））△H=-867kJ•mol^-1，
故答案为：-867kJ•mol^-1；
（2）反应③在热力学上趋势很大，该反应放出热热量大，即反应物和生成物的能量差大，因此热力学趋势大；该反应为气体体积增大的放热反应，所以降低温度、降低压强有利于提高NO₂转化率；
故答案为：此反应放出的热量十分大；低温、低压；
（3）①实验中只有温度不同，所以实验目的是：研究温度对该化学平衡的影响，
故答案为：研究温度对该化学平衡的影响；
②v=$\frac{△c}{△t}$=$\frac{\frac{0.5mol-0.25mol}{1L}}{20min}$=0.0125mol/（L•min），
故答案为：0.0125mol/（L•min）； 
③甲烷的转化率=$\frac{（0.5-0.15）mol}{0.5mol}$=70%，
故答案为：70%；
④设二氧化氮的物质的量为a，
                CH₄（g）+2NO₂（g）?N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）
C₀（mol/L）：0.5           a            0            0             0
△C（mol/L）：0.40     0.80         0.40        0.40         0.80
C_平（mol/L）：0.10       a-0.80      0.40        0.40        0.80         
则：$\frac{0.40×0.40×（0.80）^{2}}{0.10×（a-0.80）}$，a=1.2，
故答案为：1.2；  
（4）该原电池中通入二氧化氮的电极是负极、通入氧气的电极是正极，所以I是负极、II是正极，负极上生成氧化物，应该是二氧化氮失电子和硝酸根离子反应生成五氧化二氮，电极反应式为NO₂+NO₃^--e^-=N₂O₅，
故答案为：NO₂+NO₃^--e^-=N₂O₅．

点评 【点评】本题考查反应热的计算、化学平衡的判断、反应速率、转化率的计算、电极方程式的书写，本题难度不大．