Question

19．近年来，雾霾天气多次肆虐我国广大地区．其中，汽车尾气和燃煤是造成空气污染的主要原因之一．
（1）汽车尾气净化的主要原理为：2NO（g）+2CO（g）$\stackrel{催化剂}{?}$2CO₂（g）+N₂（g）；△H＜0
①该反应的平衡常数表达式为$\frac{c（{N}_{2}）{c}^{2}（C{O}_{2}）}{{c}^{2}（NO）{c}^{2}（CO）}$．
②若该反应在绝热、恒容的密闭体系中进行，下列示意图正确且能说明反应在进行到t₁时刻达到平衡状态的是bd（选填代号）．

（2）直接排放煤燃烧产生的烟气会引起严重的环境问题．
煤燃烧产生的烟气含氮的氧化物，用CH₄催化还原NO_X可以消除氮氧化物的污染．
已知：①CH₄（g）+2NO₂（g）═N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）；△H=-867kJ/mol
②2NO₂（g）?N₂O₄（g）；△H=-56.9kJ/mol
③H₂O（g）═H₂O（l）；△H=-44.0kJ/mol
请写出CH₄催化还原N₂O₄（g）生成N₂和H₂O（l）的热化学方程式：CH₄（g）+N₂O₄（g）═N₂（g）+2H₂O（l）+CO₂（g）△H=-898.1kJ/mol．
（3）甲烷燃料电池可以提升能量利用率．图是利用甲烷燃料电池电解100mL1mol/L食盐水，电解一段时间后，收集到标准状况下的氢气2.24L（假设电解后溶液体积不变）．

①甲烷燃料电池的负极反应为CH₄-8e^-+2H₂O=CO₂+8H⁺．甲烷燃料电池总反应化学方程式为CH₄+2O₂=2H₂O+CO₂．
②电解后溶液的pH=14（忽略氯气与氢氧化钠溶液反应）．
③阳极产生气体的体积在标准状况下是1.68 L．

Answer 1

分析 （1）①根据反应方程式2NO（g）+2CO（g）$\stackrel{催化剂}{?}$2CO₂（g）+N₂（g）及平衡常数的概念写出该反应的化学平衡常数表达式为K；
②a．达平衡后正、逆速率相等，且不再变化；
b．平衡后，温度为定值，平衡常数不变，结合反应热判断随反应进行容器内温度变化，判断温度对化学平衡常数的影响；
c．₁时刻后二氧化碳、NO的物质的量发生变化，最后不再变化；
d．达平衡后各组分的含量不发生变化；
（2）根据盖斯定律，由已知热化学方程式乘以适当的系数进行加减构造目标热化学方程式；
（3）①原电池负极发生氧化反应，甲烷在负极通入，酸性条件下，发生氧化反应生成CO₂、H⁺；电池中总反应为甲烷燃烧生成二氧化碳和水；
②根据氯化钠的物质的量及电解方程式来求溶液中生成的氢氧根离子浓度，再计算出溶液的pH；
③电解过程中，阳极先生成氯气，之后电解水过程中生成氧气，根据氢气的总物质的量判断阳极生成气体的总物质的量，然后计算出标况下的阳极生成气体的体积．

解答 解：（1）①反应方程式2NO（g）+2CO（g）$\stackrel{催化剂}{?}$2CO₂（g）+N₂（g）的化学平衡常数表达式为：K=$\frac{c（{N}_{2}）{c}^{2}（C{O}_{2}）}{{c}^{2}（NO）{c}^{2}（CO）}$，
故答案为：$\frac{c（{N}_{2}）{c}^{2}（C{O}_{2}）}{{c}^{2}（NO）{c}^{2}（CO）}$；
②a．到达平衡后正、逆速率相等，不再变化，t₁时刻V_正最大，之后随反应进行速率发生变化，未到达平衡，故a错误；
b．该反应正反应为放热反应，随反应进行温度升高，化学平衡常数减小，到达平衡后，温度为定值，达到最高，平衡常数不变，故b正确；
c．t₁时刻后二氧化碳、NO的物质的量发生变化，t₁时刻未到达平衡状态，故c错误；
d．t₁时刻NO的质量分数为定值，说明NO的浓度、百分含量不再变化，即t₁时刻已经达到平衡状态，故d正确，
故答案为：bd；
（2）已知：CH₄（g）+2NO₂（g）═N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₁=-867kJ/mol①
2NO₂（g）?N₂O₄（g）△H₂=-56.9kJ/mol②
H₂O（g）=H₂O（l）△H=-44.0kJ/mol③
根据盖斯定律，①-②+③×2可得CH₄（g）+N₂O₄（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（l），故△H=-867kJ/mol-（-56.9kJ/mol）+2（-44.0）kJ/mol=-898.1kJ/mol 即CH₄（g）+N₂O₄（g）═N₂（g）+2H₂O（l）+CO₂（g）△H=-898.1kJ/mol，
故答案为：CH₄（g）+N₂O₄（g）═N₂（g）+2H₂O（l）+CO₂（g）△H=-898.1kJ/mol；
（3）①、原电池负极发生氧化反应，甲烷在负极通入，酸性条件下，发生氧化反应生成CO₂、H⁺，负极电极反应式为：CH₄-8e^-+2H₂O=CO₂+8H⁺，甲烷燃料电池总反应化学方程式为CH₄+2O₂=2H₂O+CO₂，
故答案为：CH₄-8e^-+2H₂O=CO₂+8H⁺；CH₄+2O₂=2H₂O+CO₂；
②100mL 1mol/L食盐水中含有氯化钠0.1mol，根据反应方程式2NaCl+2H₂O$\frac{\underline{\;通电\;}}{\;}$2NaOH+H₂↑+Cl₂↑可知，电解0.1molNaCl生成0.1mol氢氧化钠和0.05mol氢气，同时生成0.05mol氯气；继续电解实质为电解水，标况下2.24L氢气的物质的量为0.1mol，电解水生成氢气为0.1mol-0.05mol=0.05mol，生成0.05mol氢气会生成0.025mol氧气，则电解过程中阳极总共生成0.05mol+0.025mol=0.075mol气体，
电解生成标况下2.24L氢气时，生成氢氧化钠的物质的量为：0.1mol，此时溶液中氢氧根离子浓度为：$\frac{0.1mol}{0.1L}$=1mol/L，溶液中氢离子浓度为：c（H⁺）=$\frac{1×1{0}^{-14}}{1}$=10^-14mol/L，所以溶液的pH=14，
故答案为：14；
③根据②的分析可知，电解过程中阳极生成了0.05mol氯气和0.025mol氧气，总共生成0.075mol气体，标准状况下阳极生成气体的体积为：22.4L/mol×0.075mol=1.68，
故答案为：1.68．

点评 本题考查了化学平衡常数影响因素及计算、电解原理、热化学方程式的书写等知识，题目难度较大，试题涉及的知识点较多，充分培养了学生的分析、理解能力及化学计算能力，注意掌握化学平衡常数的概念、表达式及其影响因素，明确电解原理，能够正确书写电极反应式．