Question

8．甲烷是天然氣的主要成分，是生產(chǎn)生活中應(yīng)用非常廣泛的一種化學物質(zhì)．
（1）一定條件下，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
現(xiàn)有一份在相同條件下對H₂的相對密度為17的NO與NO₂的混合氣體，用16g甲烷氣體催化還原該混合氣體，恰好生成氮氣、二氧化碳氣體和水蒸氣，共放出1042.8kJ熱量．
①該混合氣體中NO和NO₂的物質(zhì)的量之比為3：1．
②已知上述熱化學方程式中△H₁=-1160kJ/mol，則△H₂=-1734 kJ/mol．
③在一定條件下NO氣體可以分解為NO₂氣體和N₂氣體，寫出該反應(yīng)的熱化學方程式：4NO（g）=2NO₂（g）+N₂（g）△H=-293kJ/mol．

（2）以甲烷為燃料的新型電池，其成本大大低于以氫氣為燃料的傳統(tǒng)燃料電池，目前得到廣泛地研究，如圖是目前研究較多的一類固體氧化物燃料電池工作原理示意圖．回答下列問題：
④B極為電池負極，電極反應(yīng)式為CH₄-8e^-+4O^2-=CO₂+2H₂O．
⑤若用該燃料電池作電源，用石墨作電極電解100mL 1mol/L的硫酸銅溶液，當兩極收集到的氣體體積相等時理論上消耗的甲烷的體積為1.12L（標準狀況下），實際上消耗的甲烷體積（折算到標準狀況）比理論上大，可能原因為電池能量轉(zhuǎn)化率達不到100%．

Answer 1

分析 （1）①相同條件下，不同氣體的摩爾質(zhì)量之比等于其密度之比，據(jù)此計算氮氧化物平均摩爾質(zhì)量，再根據(jù)平均摩爾質(zhì)量計算NO和二氧化氮的物質(zhì)的量之比；
②根據(jù)蓋斯定律確定甲烷和二氧化氮之間的方程式，根據(jù)甲烷和NO、NO₂之間的反應(yīng)確定分別和NO、NO₂之間反應(yīng)需要甲烷的物質(zhì)的量之比，再根據(jù)焓變進行計算；
③根據(jù)蓋斯定律書寫熱化學方程式；
（2）④B為負極，總反應(yīng)式為CH₄+2O₂+=CO₂+2H₂O，正極反應(yīng)式為：2O₂+8e^-=4O^2-，兩式相減可得負極電極反應(yīng)式；
⑤開始階段發(fā)生反應(yīng)：2Cu²⁺+2H₂O$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$2Cu+O₂↑+4H⁺，銅離子完全放電后，發(fā)生反應(yīng)2H₂O$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$2H₂↑+O₂↑，陽極的電極反應(yīng)式是氫氧根離子放電，當兩極收集到的氣體體積相等時，即氫氣與氧氣的體積相等，令是氫氣為xmol，根據(jù)電子轉(zhuǎn)移守恒列方程計算，再根據(jù)電子轉(zhuǎn)移守恒計算消耗的甲烷；根據(jù)電池中的能量轉(zhuǎn)化率分析．

解答 解：（1）①在相同條件下對H₂的相對密度為17的NO與NO₂的混合氣體，相同條件下，氣體的密度之比等于其摩爾質(zhì)量之比，所以混合氣體的摩爾質(zhì)量為34g/mol，設(shè)n（NO）為x，n（NO₂）為y，
混合氣體摩爾質(zhì)量=$\frac{30xg+46yg}{（x+y）mol}$=34g/mol，x：y=3：1，
故答案為：3：1；
②16g甲烷的物質(zhì)的量=$\frac{16g}{16g/mol}$=1mol，
根據(jù)蓋斯定律知，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的物質(zhì)的量之比為3：1，根據(jù)方程式知，當NO和NO₂完全轉(zhuǎn)化為氮氣時，分別和NO、NO₂反應(yīng)的甲烷的物質(zhì)的量之比=$\frac{3}{4}$：$\frac{1}{2}$=3：2，則有0.6mol甲烷和NO反應(yīng)、0.4mol的甲烷和NO₂反應(yīng)，0.6mol甲烷和NO反應(yīng)放出的熱量=0.6mol×1160kJ/mol=696kJ，0.4mol甲烷和NO₂完全反應(yīng)放出的熱量=1042.8kJ-696kJ=346.8kJ，則0.4mol甲烷和NO₂完全反應(yīng)放出的熱量=0.5（△H₁+△H₂）×0.4mol=0.2mol×（1160kJ/mol+△H₂）=346.8kJ，則△H₂=$\frac{346.8kJ}{0.2mol}$=-1734 kJ/mol，
故答案為：-1734 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
根據(jù)蓋斯定律，$\frac{①-②}{2}$得：4NO（g）=2NO₂（g）+N₂（g）；△H=-293 kJ/mol；
故答案為：4NO（g）=2NO₂（g）+N₂（g）△H=-293 kJ/mol；
（2）④B為負極，總反應(yīng)式為CH₄+2O₂+=CO₂+2H₂O，正極反應(yīng)式為：2O₂+8e^-=4O^2-，兩式相減，負極反應(yīng)為：CH₄-8e^-+4O^2-=CO₂+2H₂O，
故答案為：負；CH₄-8e^-+4O^2-=CO₂+2H₂O；
⑤硫酸銅的物質(zhì)的量=0.1L×1mol/L=0.1mol，開始階段發(fā)生反應(yīng)：2Cu²⁺+2H₂O$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$2Cu+O₂↑+4H⁺，銅離子完全放電后，發(fā)生反應(yīng)2H₂O$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$2H₂↑+O₂↑，陽極的電極反應(yīng)式：4OH^--4e^-=O₂↑+2H₂O；當兩極收集到的氣體體積相等時，即氫氣與氧氣的體積相等，令是氫氣為xmol，根據(jù)電子轉(zhuǎn)移守恒，則：0.1mol×2+2x=4x，解得x=0.1，根據(jù)電子轉(zhuǎn)移守恒，可知消耗的甲烷物質(zhì)的量=$\frac{0.1mol×4}{8}$=0.05mol，故消耗甲烷的體積=0.05mol×22.4L/mol=1.12L，原電池中發(fā)生反應(yīng)時化學能不去全部轉(zhuǎn)化為電能，即電池能量轉(zhuǎn)化率達不到100%，所以實際上消耗的甲烷的體積比理論上大；
故答案為：1.12L；電池能量轉(zhuǎn)化率達不到100%．

點評 本題綜合考查了反應(yīng)熱的計算、電化學知識等，題目整體計算量較大，側(cè)重于對基礎(chǔ)知識綜合應(yīng)用的考查，題目難度中等．