Question

3．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（NO_x）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3：1．
②已知上述热化学方程式中△H₁=-1160kJ/mol，则△H₂=-574 kJ/mol．
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：4NO（g）=2NO₂（g）+N₂（g）△H=-293kJ/mol．
（2）以甲烷为燃料的新型电池，其成本大大低于以氢气为燃料的传统燃料电池，目前得到广泛地研究，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极为电池负极，电极反应式为CH₄-8e^-+4O^2-=CO₂+2H₂O．
⑤若用该燃料电池作电源，用石墨作电极电解100mL 1mol/L的硫酸铜溶液，当两极收集到的气体体积相等时，理论上消耗的甲烷的体积为1.12L（标准状况下），实际上消耗的甲烷体积（折算到标准状况）比理论上大，可能原因为电池能量转化率达不到100%．

Answer 1

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^-=4O^2-，两式相减可得负极电极反应式；
⑤开始阶段发生反应：2Cu²⁺+2H₂O$\frac{\underline{\;通电\;}}{\;}$2Cu+O₂↑+4H⁺，铜离子完全放电后，发生反应2H₂O$\frac{\underline{\;通电\;}}{\;}$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．

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=$\frac{30xg+46yg}{（x+y）mol}$=34g/mol，x：y=3：1，
故答案为：3：1；
②16g甲烷的物质的量=$\frac{16g}{16g/mol}$=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=$\frac{3}{4}$：$\frac{1}{2}$=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=$\frac{346.8kJ}{0.2mol}$=-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，$\frac{①-②}{2}$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^-=4O^2-，两式相减，负极反应为：CH₄-8e^-+4O^2-=CO₂+2H₂O，
故答案为：负；CH₄-8e^-+4O^2-=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$\frac{\underline{\;通电\;}}{\;}$2Cu+O₂↑+4H⁺，铜离子完全放电后，发生反应2H₂O$\frac{\underline{\;通电\;}}{\;}$2H₂↑+O₂↑，阳极的电极反应式：4OH^--4e^-=O₂↑+2H₂O；当两极收集到的气体体积相等时，即氢气与氧气的体积相等，令是氢气为xmol，根据电子转移守恒，则：0.1mol×2+2x=4x，解得x=0.1，根据电子转移守恒，可知消耗的甲烷物质的量=$\frac{0.1mol×4}{8}$=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：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．