Question

20．碳、氮及其化合物在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活中有著重要作用．請回答下列問題：
（1）用CH₄催化還原NO_x可以消除氮氧化物的污染．例如：
CH₄（g）+4NO₂（g）=4NO（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₁=-574kJ•mol^-1
CH₄（g）+4NO（g）=2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₂
若2mol CH₄還原NO₂至N₂，整個(gè)過程中放出的熱量為1734kJ，則△H₂=-1160kJ/mol；
（2）據(jù)報(bào)道，科學(xué)家在一定條件下利用Fe₂O₃與甲烷反應(yīng)可制取“納米級”的金屬鐵．
其反應(yīng)如下：Fe₂O₃（s）+3CH₄（g）?2Fe（s）+3CO（g）+6H₂（g）△H＞0
①若反應(yīng)在5L的密閉容器中進(jìn)行，1min后達(dá)到平衡，測得Fe₂O₃在反應(yīng)中質(zhì)量減少3.2g．則該段時(shí)間內(nèi)CO的平均反應(yīng)速率為0.012mol•L^-1•min^-1．
②若該反應(yīng)在恒溫恒壓容器中進(jìn)行，能表明該反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)的是bd（選填序號）
a．CH₄的轉(zhuǎn)化率等于CO的產(chǎn)率        b．混合氣體的平均相對分子質(zhì)量不變
c．v（CO）與v（H₂）的比值不變    d．固體的總質(zhì)量不變
③該反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)某物理量隨溫度變化如圖1所示，當(dāng)溫度由T₁升高到T₂時(shí)，平衡常數(shù)K_A＜ K_B（填“＞”、“＜”或“=”）．縱坐標(biāo)可以表示的物理量有哪些bc．

a．H₂的逆反應(yīng)速率                   b．CH₄的體積分?jǐn)?shù)
c．混合氣體的平均相對分子質(zhì)量       d．CO的體積分?jǐn)?shù)
（3）工業(yè)合成氨氣需要的反應(yīng)條件非常高且產(chǎn)量低，而一些科學(xué)家采用高質(zhì)子導(dǎo)電性的SCY陶瓷（能傳遞H⁺ ）實(shí)現(xiàn)氨的電化學(xué)合成，從而大大提高了氮?dú)夂蜌錃獾霓D(zhuǎn)化率．電化學(xué)合成氨過程的總反應(yīng)式為：N₂+3H₂?一定條件2NH₃，該過程中正極反應(yīng)的方程式為N₂+6H⁺+6e^-=2NH₃．
（4）若往20mL 0.0lmol•L^-l的弱酸HNO₂溶液中逐滴加入一定濃度的燒堿溶液，測得混合溶液的溫度變化如圖2所示，下列有關(guān)說法正確的是②③
①該燒堿溶液的濃度為0.02mol•L^-1
②該燒堿溶液的濃度為0.01mol•L^-1
③HNO₂的電離平衡常數(shù)：b點(diǎn)＞a點(diǎn)
④從b點(diǎn)到c點(diǎn)，混合溶液中一直存在：c（Na⁺）＞c（NO₂^-）＞c（OH^-）＞c（H⁺）

Answer 1

分析 （1）CH₄（g）+4NO₂（g）=4NO（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₁=-574kJ•mol^-1 ①
CH₄（g）+4NO（g）=2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₂ ②
①+②得：2CH₄（g）+4NO₂（g）=2CO₂（g）+4H₂O（g）+2N₂（g）根據(jù)蓋斯定律以及熱化學(xué)方程式的意義來解答；
（2）①結(jié)合題干計(jì)算鐵物質(zhì)的量，根據(jù)化學(xué)方程式定量關(guān)系計(jì)算甲烷消耗的物質(zhì)的量，依據(jù)化學(xué)反應(yīng)速率概念計(jì)算得到；
②反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，正逆反應(yīng)速率相等，各組分濃度保持不變，據(jù)此分析；
③該反應(yīng)是正反應(yīng)氣體體積增大的吸熱反應(yīng)，升溫平衡正向移動，據(jù)此分析；
（3）燃料電池中，正極上氧化劑得電子發(fā)生還原反應(yīng)；
（4）①②HNO₂是弱酸，次氯酸電離是吸熱反應(yīng)，酸堿中和反應(yīng)是放熱反應(yīng)，當(dāng)恰好完全中和時(shí)放出熱量最多，據(jù)此確定c（NaOH）；
③電離吸熱，溫度越高電離平衡常數(shù)越大；
④當(dāng)c（NaOH）較大時(shí)，可能出現(xiàn)：c（Na⁺）＞c（OH^-）＞c（NO₂^-）＞c（H⁺）．

解答 解：（1）CH₄（g）+4NO₂（g）=4NO（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₁=-574kJ•mol^-1 ①
CH₄（g）+4NO（g）=2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₂ ②
根據(jù)蓋斯定律得：2CH₄（g）+4NO₂（g）=2CO₂（g）+4H₂O（g）+2N₂（g）△H₁+△H₂
而 1mol CH₄還原NO₂至N₂，整個(gè)過程中放出的熱量為867kJ，所以△H₁+△H₂=-1734kJ•mol^-1，則△H₂=-1734kJ•mol^-1+574kJ•mol^-1=-1160 kJ•mol^-1，
故答案為：-1160kJ•mol^-1；
（2）①若反應(yīng)在5L的密閉容器中進(jìn)行，1min后達(dá)到平衡，測得Fe₂O₃在反應(yīng)中質(zhì)量減少3.2g的物質(zhì)的量=$\frac{3.2g}{160g/mol}$=0.02mol，結(jié)合化學(xué)方程式，F(xiàn)e₂O₃（s）+3CH₄（g）═2Fe（s）+3CO（g）+6H₂（g），計(jì)算反應(yīng)的甲烷物質(zhì)的量為0.06mol，則該段時(shí)間內(nèi)CH₄的平均反應(yīng)速率=$\frac{\frac{0.06mol}{5L}}{1min}$=0.012mol/（L•min）；
故答案為：0.012mol/（L•min）；
②a．CH₄的轉(zhuǎn)化率與CO的產(chǎn)率與是否達(dá)到平衡狀態(tài)無關(guān)，故a錯(cuò)誤；
b．反應(yīng)前后氣體的物質(zhì)的量和質(zhì)量都不同，所以混合氣體的平均相對分子質(zhì)量不變說明反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，故b正確；
c、v（CO）與v（H₂）的比值始終不變，所以其不能說明反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，故c錯(cuò)誤；
d、固體的總質(zhì)量不變，說明正逆反應(yīng)速率相等，反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，故d正確；
故答案為：bd；
③Fe₂O₃（s）+3CH₄（g）═2Fe（s）+3CO（g）+6H₂（g）△H＞0，反應(yīng)是氣體體積增大的吸熱反應(yīng)，升溫平衡正向移動，平衡常數(shù)增大，K_A＜K_B；
a．H₂的逆反應(yīng)速率隨溫度的升高而增大，故a錯(cuò)誤；
b．升溫平衡正向移動，CH₄的體積分?jǐn)?shù)減小，故b正確；
c．升溫平衡正向移動，混合氣體的平均相對分子質(zhì)量減小，故c正確；
d．升溫平衡正向移動，CO的體積分?jǐn)?shù)增大，故d錯(cuò)誤；
故答案為：＜；bc．
（3）燃料電池中，正極上氮?dú)獾秒娮雍蜌潆x子發(fā)生還原反應(yīng)生成氨氣，電極反應(yīng)式為N₂+6H⁺+6e^-=2NH₃，故答案為：N₂+6H⁺+6e^-=2NH₃；
（4）①HNO₂是弱酸，次氯酸電離是吸熱反應(yīng)，酸堿中和反應(yīng)是放熱反應(yīng)，當(dāng)恰好完全中和時(shí)放出熱量最多，c（NaOH）=$\frac{0.02L×0.01mol/L}{0.020l}$=0.01mol/L；
故①錯(cuò)誤，②正確；
③電離吸熱，溫度越高電離平衡常數(shù)越大，所以HNO₂的電離平衡常數(shù)：b點(diǎn)＞a點(diǎn)，故③正確；
④從b點(diǎn)到c點(diǎn)，當(dāng)C（NaOH）較大時(shí)，可能出現(xiàn)：c（Na⁺）＞c（OH^-）＞c（NO₂^-）＞c（H⁺），故④錯(cuò)誤；
故答案為：②③．

點(diǎn)評 本題綜合考查學(xué)生有關(guān)熱化學(xué)、化學(xué)反應(yīng)速率和平衡的有關(guān)計(jì)算等知識，綜合性較強(qiáng)，題目難度較大，注意知識的遷移應(yīng)用是關(guān)鍵．