Question

5．甲烷的用途很广泛．
（1）已知：
2NO₂（g ）═N₂O₄（g）△H=-56.9kJ•mol ^-1
H₂O（g）=H₂O（l）△H=-44.0kJ•mol ^-1
CH₄（g）+N₂O₄ （g）=N₂（g）+2H₂O（l）+CO₂ （g）△H=-898.1kJ•mol ^-1
则 CH₄（g）催化还原NO₂ （g）生成 N₂（g）和H₂O（g）的热化学方程式为CH₄（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g），△H=-867kJ•mol^-1．
（2）一定条件下，发生2NO（g）+2CO（g）$\stackrel{催化剂}{?}$N₂（g）+2CO₂（g）△H＜0．在不同时间c（NO）与c（CO）如下表所示：

时间/s	0	2	4	6	8	10
c（NO）/mol•L-1	1.00×10-3	4.50×10-4	2.50×10-4	1.50×10-4	1.00×10-4	1.00×10-4
c（CO）/mol•L-1	3.60×10-3	3.05×10-3	2.85×10-3	2.75×10-3	2.70×10-3	2.70×10-3

①该温度下，该反应的平衡常数表达式为K=$\frac{c（{N}_{2}）{c}^{2}（C{O}_{2}）}{{c}^{2}（NO）{c}^{2}（CO）}$；
②计算前4秒内氮气的平均反应速率为9.375×10^-5mol/（L•s）；
③下列选项中，不能说明上述反应已达平衡的是AC
A．2v_正（NO）=v_逆（N₂ ）
B．容器中气体的平均分子量不随时间而变化
C．容器中气体的密度不随时间而变化
D．容器中CO的质量不再发生变化
E． 容器中气体的总压强不随时间而变化
（3）CH₄燃料电池原理如图所示

①该燃料电池的正极为b（填“a”或“b”）．该电池负极的电极反应式为CH₄+10OH^--8e-=CO₃^2-+7H₂O；
②放电一段时间后，电解质溶液的pH减小（填“增大”、“减小”或“不变”）．

Answer 1

分析 （1）①2NO₂（g ）═N₂O₄（g）△H=-56.9kJ•mol ^-1
②H₂O（g）=H₂O（l）△H=-44.0kJ•mol ^-1
③CH₄（g）+N₂O₄ （g）=N₂（g）+2H₂O（l）+CO₂ （g）△H=-898.1kJ•mol ^-1
盖斯定律计算①+③-2×②得到 CH₄（g）催化还原NO₂ （g）生成 N₂（g）和H₂O（g）的热化学方程式；
（2）①平衡常数K=$\frac{生成物平衡浓度幂次方乘积}{反应物平衡浓度幂次方乘积}$；
②计算NO反应速率v=$\frac{△c}{△t}$，反应速率之比等于化学方程式计量数之比计算得到氮气的反应速率；
③根据化学平衡状态的特征解答，当反应达到平衡状态时，正逆反应速率相等，各物质的浓度、百分含量不变，以及由此衍生的一些量也不发生变化，解题时要注意，选择判断的物理量，随着反应的进行发生变化，当该物理量由变化到定值时，说明可逆反应到达平衡状态；
（4）①CH₄燃料电池中甲烷在负极失电子发生氧化反应，在碱性环境中生成碳酸盐，结合电话守恒和原子守恒书写电极反应；
②放电一段时间后，依据化学方程式分析，消耗溶液中氢氧根离子生成水，电解质溶液的pH减小．

解答 （1）（1）①2NO₂（g ）═N₂O₄（g）△H=-56.9kJ•mol ^-1
②H₂O（g）=H₂O（l）△H=-44.0kJ•mol ^-1
③CH₄（g）+N₂O₄ （g）=N₂（g）+2H₂O（l）+CO₂ （g）△H=-898.1kJ•mol ^-1
盖斯定律计算①+③-2×②得到 CH₄（g）催化还原NO₂ （g）生成 N₂（g）和H₂O（g）的热化学方程式：CH₄（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g），△H=-867kJ•mol^-1 ，
故答案为：CH₄（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g），△H=-867kJ•mol^-1 ；
（2）①一定条件下，发生2NO（g）+2CO（g）$\stackrel{催化剂}{?}$N₂（g）+2CO₂（g）△H＜0，平衡常数K=$\frac{c（{N}_{2}）{c}^{2}（C{O}_{2}）}{{c}^{2}（NO）{c}^{2}（CO）}$，
故答案为：$\frac{c（{N}_{2}）{c}^{2}（C{O}_{2}）}{{c}^{2}（NO）{c}^{2}（CO）}$；
②前4秒内NO浓度变化=1.00×10^-3 mol/L-2.50×10^-4 mol/L=7.5×10^-4mol/L，NO的反应速率v（NO）=$\frac{7.5×1{0}^{-4}mol/L}{4s}$=1.875×10^-4mol/（L•s），氮气的平均反应速率v（N₂）=$\frac{1}{2}$v（NO）=$\frac{1.875mol/（L•s）}{2}$=9.375×10^-5mol/（ L•s，
故答案为：9.375×10^-5mol/（ L•s）； 
③2NO（g）+2CO（g）$\stackrel{催化剂}{?}$N₂（g）+2CO₂（g）△H＜0，
A．v_正（NO）=2v_逆（N₂ ）说明氮气的正逆反应速率相同，反应达到平衡状态，2v_正（NO）=v_逆（N₂ ）不能说明正逆反应速率相同，故A符合；
B．反应前后气体质量不变，气体物质的量减小，当容器中气体的平均分子量不随时间而变化说明反应达到平衡状态，故B不符合；
C．气体质量和体积不变，容器中气体的密度始终不随时间而变化，不能说明反应达到平衡状态，故C符合；
D．容器中CO的质量不再发生变化说明一氧化碳浓度不变，反应达到平衡状态，故D不符合；
E． 反应前后气体物质的量变化，当容器中气体的总压强不随时间而变化说明反应达到平衡状态，故E不符合；
故答案为：AC；
（3）①CH₄燃料电池中甲烷在负极失电子发生氧化反应，该燃料电池的正极为通入氧气的电极一端，电极b为正极，在碱性环境中生成碳酸盐，结合电话守恒和原子守恒书写电极反应为：CH₄+10OH^--8e-=CO₃^2-+7H₂O，
故答案为：b； CH₄+10OH^--8e-=CO₃^2-+7H₂O；    
②放电一段时间后，负极电极反应CH₄+10OH^--8e-=CO₃^2-+7H₂O，正极电极反应为O₂+2H₂O+4e^-=4OH^-，总化学反应的离子方程式为：CH₄+2OH^-+2O₂→CO₃^2-+3H₂O，反应过程中消耗氢氧根离子，溶液PH减小，
故答案为：减小．

点评 本题考查了热化学方程式书写、化学反应速率计算、影响化学平衡因素分析判断、原电池原理和电极反应书写等知识，题目难度中等．