题目内容
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（NOx）的污染．已知：
CH4（g）+4NO（g）=2N2（g）+CO2（g）+2H2O（g）；△H1
CH4（g）+4NO2（g）=4NO（g）+CO2（g）+2H2O（g）；△H2
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16g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1042.8kJ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△H1=-1160kJ/mol，则△H2=
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为燃料的传统燃料电池，目前得到广泛的研究，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
⑤若用该燃料电池做电源，用石墨做电极电解100mL 1mol/L的硫酸铜溶液，写出阳极的电极反应式
考点：有关反应热的计算,热化学方程式,原电池和电解池的工作原理,电解原理
专题：化学反应中的能量变化
分析：（1）①相同条件下，不同气体的摩尔质量之比等于其密度之比，据此计算氮氧化物平均摩尔质量，再根据平均摩尔质量计算NO和二氧化氮的物质的量之比；
②根据盖斯定律确定甲烷和二氧化氮之间的方程式，根据甲烷和NO、NO2之间的反应确定分别和NO、NO2之间反应需要甲烷的物质的量之比，再根据焓变进行计算；
③根据盖斯定律书写热化学方程式；
（2）④B为负极，总反应式为CH4+2O2+=CO2+2H2O，正极反应式为：2O2+8e-=4O2-，两式相减可得负极电极反应式；
⑤开始阶段发生反应：2Cu2++2H2O
2Cu+O2↑+4H+，铜离子完全放电后，发生反应2H2O
2H2↑+O2↑，阳极的电极反应式是氢氧根离子放电，当两极收集到的气体体积相等时，即氢气与氧气的体积相等，令是氢气为xmol，根据电子转移守恒列方程计算，再根据电子转移守恒计算消耗的甲烷；根据电池中的能量转化率分析．
②根据盖斯定律确定甲烷和二氧化氮之间的方程式，根据甲烷和NO、NO2之间的反应确定分别和NO、NO2之间反应需要甲烷的物质的量之比，再根据焓变进行计算；
③根据盖斯定律书写热化学方程式；
（2）④B为负极，总反应式为CH4+2O2+=CO2+2H2O，正极反应式为：2O2+8e-=4O2-，两式相减可得负极电极反应式；
⑤开始阶段发生反应：2Cu2++2H2O
| ||
| ||
解答：
解：（1）①在相同条件下对H2的相对密度为17的NO与NO2的混合气体，相同条件下，气体的密度之比等于其摩尔质量之比，所以混合气体的摩尔质量为34g/mol，设n（NO）为x，n（NO2）为y，
混合气体摩尔质量=
=34g/mol，x：y=3：1，
故答案为：3：1；
②16g甲烷的物质的量=
=1mol，
根据盖斯定律知，CH4（g）+4NO（g）═2N2（g）+CO2（g）+2H2O（g）△H1
CH4（g）+2NO2（g）═N2（g）+CO2（g）+2H2O（g）△H=0.5（△H1+△H2）
NO和NO2的物质的量之比为3：1，根据方程式知，当NO和NO2完全转化为氮气时，分别和NO、NO2反应的甲烷的物质的量之比=
：
=3：2，则有0.6mol甲烷和NO反应、0.4mol的甲烷和NO2反应，0.6mol甲烷和NO反应放出的热量=0.6mol×1160kJ/mol=696kJ，0.4mol甲烷和NO2完全反应放出的热量=1042.8kJ-696kJ=346.8kJ，则0.4mol甲烷和NO2完全反应放出的热量=0.5（△H1+△H2）×0.4mol=0.2mol×（1160kJ/mol+△H2）=346.8kJ，则△H2=
=-574 kJ/mol，
故答案为：-574 kJ/mol；
③CH4（g）+4NO（g）=2N2（g）+CO2（g）+2H2O（g）△H1=-1160kJ/mol①
CH4（g）+4NO2（g）=4NO（g）+CO2（g）+2H2O（g）△H1=-574 kJ/mol②
根据盖斯定律，
得：4NO（g）=2NO2（g）+N2（g）；△H=-293 kJ/mol；
故答案为：4NO（g）=2NO2（g）+N2（g）△H=-293 kJ/mol；
（2）④B为负极，总反应式为CH4+2O2+=CO2+2H2O，正极反应式为：2O2+8e-=4O2-，两式相减，负极反应为：CH4-8e-+4O2-=CO2+2H2O，
故答案为：负；CH4-8e-+4O2-=CO2+2H2O；
⑤硫酸铜的物质的量=0.1L×1mol/L=0.1mol，开始阶段发生反应：2Cu2++2H2O
2Cu+O2↑+4H+，铜离子完全放电后，发生反应2H2O
2H2↑+O2↑，阳极的电极反应式：4OH--4e-=O2↑+2H2O；当两极收集到的气体体积相等时，即氢气与氧气的体积相等，令是氢气为xmol，根据电子转移守恒，则：0.1mol×2+2x=4x，解得x=0.1，根据电子转移守恒，可知消耗的甲烷物质的量=
=0.05mol，故消耗甲烷的体积=0.05mol×22.4L/mol=1.12L，原电池中发生反应时化学能不去全部转化为电能，即电池能量转化率达不到100%，所以实际上消耗的甲烷的体积比理论上大；
故答案为：4OH--4e-=O2↑+2H2O；1.12L；电池能量转化率达不到100%．
混合气体摩尔质量=
| 30xg+46yg |
| (x+y)mol |
故答案为：3：1；
②16g甲烷的物质的量=
| 16g |
| 16g/mol |
根据盖斯定律知，CH4（g）+4NO（g）═2N2（g）+CO2（g）+2H2O（g）△H1
CH4（g）+2NO2（g）═N2（g）+CO2（g）+2H2O（g）△H=0.5（△H1+△H2）
NO和NO2的物质的量之比为3：1，根据方程式知，当NO和NO2完全转化为氮气时，分别和NO、NO2反应的甲烷的物质的量之比=
| 3 |
| 4 |
| 1 |
| 2 |
| 346.8kJ |
| 0.2mol |
故答案为：-574 kJ/mol；
③CH4（g）+4NO（g）=2N2（g）+CO2（g）+2H2O（g）△H1=-1160kJ/mol①
CH4（g）+4NO2（g）=4NO（g）+CO2（g）+2H2O（g）△H1=-574 kJ/mol②
根据盖斯定律，
| ①-② |
| 2 |
故答案为：4NO（g）=2NO2（g）+N2（g）△H=-293 kJ/mol；
（2）④B为负极，总反应式为CH4+2O2+=CO2+2H2O，正极反应式为：2O2+8e-=4O2-，两式相减，负极反应为：CH4-8e-+4O2-=CO2+2H2O，
故答案为：负；CH4-8e-+4O2-=CO2+2H2O；
⑤硫酸铜的物质的量=0.1L×1mol/L=0.1mol，开始阶段发生反应：2Cu2++2H2O
| ||
| ||
| 0.1mol×4 |
| 8 |
故答案为：4OH--4e-=O2↑+2H2O；1.12L；电池能量转化率达不到100%．
点评：本题综合考查了反应热的计算、电化学知识等，题目整体计算量较大，侧重于对基础知识综合应用的考查，题目难度中等．
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