Question

6．汽車尾氣作為空氣污染的主要來源之一，其中含有大量的有害物質(zhì)，包括CO、NO_x、碳?xì)浠�合物和固體懸浮顆粒等．對汽車尾氣的治理使環(huán)境工作者面臨了巨大的挑戰(zhàn)．試回答下列問題：
（1）用CH₄催化還原NO_x可以消除氮氧化物的污染．已知：
①CH₄（g）+4NO（g）═2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-1 160kJ•mol^-1
②CH₄（g）+4NO₂（g）═4NO（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-574kJ•mol^-1
則由CH₄將NO₂完成還原成N₂，生成CO₂和水蒸氣的熱化學(xué)方程式是CH₄（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-867kJ•mol^-1；
（2）NO_x也可被NaOH溶液吸收而生成NaNO₃、NaNO₂，已知某溫度下，HNO₂的電離常數(shù)K_a=9.7×10^-4mol•L^-1，
NO₂^-的水解常數(shù)為K_h=8.0×10^-10mol•L^-1，則該溫度下水的離子積常數(shù)=K_a×K_h（用含Ka、Kh的代數(shù)式表示），此時(shí)溶液的溫度＞25℃（“＞”、“＜”、“=”）．
（3）化工上利用CO合成甲醇，反應(yīng)的熱化學(xué)方程式為：CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g）△H=-90.8KJ•mol^-1．不同溫度下，CO的平衡轉(zhuǎn)化率如圖1所示：圖中T₁、T₂、T₃的高低順序是T₁＜T₂＜T₃，理由是該反應(yīng)為放熱，溫度越高，反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率越低．


（4）化工上還可以利用CH₃OH生成CH₃OCH₃．在體積均為1.0L的恒容密閉容器中發(fā)生反應(yīng)：2CH₃OH（g）═CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）．

容器編號	溫度（℃）	起始物質(zhì)的量（mol）	平衡物質(zhì)的量（mol）
		CH3OH	CH3OCH3	H2O
Ⅰ	387	0.20	0.080	0.080
Ⅱ	207	0.20	0.090	0.090

該反應(yīng)的正反應(yīng)為放熱反應(yīng)（填“吸熱”、“放熱”），若起始是向容器Ⅰ中充入CH₃OH0.15mol、CH₃OCH₃0.15mol和H₂O0.10mol，則反應(yīng)將向正方向進(jìn)行（填“正”、“逆”）．
（5）CH₃OH燃料電池在便攜式通訊設(shè)備、汽車等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用．已知電池工作時(shí)的總反應(yīng)方程式為：2CH₃OH+3O₂=2CO₂+4H₂O，電池工作時(shí)的示意圖如圖2所示：質(zhì)子穿過交換膜移向N電極區(qū)（填“M”、“N”），負(fù)極的電極反應(yīng)式為CH₃OH+H₂O-6e^-=CO₂+6H⁺．

Answer 1

分析 （1）CH₄（g）+4NO₂（g）?4NO（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-574kJ•mol^-1①
CH₄（g）+4NO（g）?2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-1160kJ•mol^-1②
將方程式 $\frac{①+②}{2}$得甲烷直接將NO₂還原為N₂的熱化學(xué)方程式；
（2）依據(jù)亞硝酸根離子水解平衡常數(shù)表達(dá)式變式計(jì)算分析；
（3）正反應(yīng)放熱，則升高溫度CO的轉(zhuǎn)化率降低；
（4）對比I、Ⅱ可知，升高溫度CH₃OCH₃（g）的物質(zhì)的量減小，說明平衡逆向移動(dòng)，而升高溫度平衡向吸熱反應(yīng)移動(dòng)；
根據(jù)I中數(shù)據(jù)計(jì)算平衡常數(shù)，計(jì)算此時(shí)濃度商Qc，若Qc=K，處于平衡狀態(tài)，若Qc＜K，反應(yīng)向正反應(yīng)進(jìn)行，若Qc＞K，反應(yīng)向逆反應(yīng)進(jìn)行；
（5）原電池中陽離子移向正極，負(fù)極是甲醇失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，依據(jù)電池反應(yīng)和酸性環(huán)境，2CH₃OH+3O₂=2CO₂+4H₂O，負(fù)極電極反應(yīng)為：CH₃OH+H₂O-6e^-=CO₂+6H⁺，正極是氧氣得到電子發(fā)生還原反應(yīng)，氧氣得到電子生成氫氧根離子，在圖中是酸性介質(zhì)，電極反應(yīng)產(chǎn)物應(yīng)寫成水的形式；電池的正極反應(yīng)式為：O₂+4H⁺+4e^-=2H₂O；

解答 解：（1）CH₄（g）+4NO₂（g）?4NO（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-574kJ•mol^-1①
CH₄（g）+4NO（g）?2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-1160kJ•mol^-1②
將方程式$\frac{①+②}{2}$CH₄（g）+2NO₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（g）+N₂（g）△H=$\frac{-574-1160}{2}$kJ/mol=-867kJ•mol^-1，
故答案為：CH₄（g）+2NO₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（g）+N₂（g）△H=-867kJ•mol^-1；
（2）NO₂^-+H₂O?HNO₂+OH^-，Kh=$\frac{c（HN{O}_{2}）c（O{H}^{-}）}{c（N{{O}_{2}}^{-}）}$=$\frac{c（HN{O}_{2}）c（O{H}^{-}）}{c（N{{O}_{2}}^{-}）}$×$\frac{c（{H}^{+}）}{c（{H}^{+}）}$=$\frac{Kw}{Ka}$，則Kw=Kh×Ka=8.0×10^-10mol•L^-1×9.7×10^-4mol•L^-1=7.76×10^-13，＞常溫下Kw=10^-14，溫度高于常溫，＞25°C，
故答案為：K_a×K_h，＞；
（3）根據(jù)該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，溫度越高CO的轉(zhuǎn)化率越小，圖中T₁、T₂、T₃的高低順序T₁＜T₂＜T₃，
故答案為：T₁＜T₂＜T₃，該反應(yīng)為放熱，溫度越高，反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率越低；
（4）對比I、Ⅱ可知，升高溫度CH₃OCH₃（g）的物質(zhì)的量減小，說明平衡逆向移動(dòng)，而升高溫度平衡向吸熱反應(yīng)移動(dòng)，則正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，容器Ⅰ中平衡時(shí)c（CH₃OCH₃）=c（H₂O）=$\frac{0.08mol}{1L}$=0.080mol/L，c（CH₃OH）$\frac{0.2mol-0.08mol×2}{1L}$=0.04mol/L，容器Ⅰ中化學(xué)平衡常數(shù)K₁=$\frac{0.08×0.08}{0.0{4}^{2}}$=4，此時(shí)濃度商Qc=$\frac{0.15×0.1}{0.1{5}^{2}}$=0.67＜K=4，反應(yīng)向正反應(yīng)進(jìn)行，
故答案為：放熱，正；
（5）圖分析可知a端電極N為正極，質(zhì)子穿過交換膜移向N電極，M電極為負(fù)極，負(fù)極是甲醇失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，依據(jù)電池反應(yīng)和酸性環(huán)境，2CH₃OH+3O₂=2CO₂+4H₂O，負(fù)極電極反應(yīng)為：CH₃OH+H₂O-6e^-=CO₂+6H⁺，故答案為：N，CH₃OH+H₂O-6e^-=CO₂+6H⁺；

點(diǎn)評 本題目綜合考查蓋斯定律的應(yīng)用、化學(xué)反應(yīng)平衡常數(shù)的計(jì)算和應(yīng)用、圖象分析判斷等方面的知識，側(cè)重于影響平衡移動(dòng)及平衡常數(shù)的因素的考查，注意知識的歸納和整理是關(guān)鍵，題目難度中等．注意料電池反應(yīng)的特點(diǎn)．