Question

汽车尾气作为空气污染的主要来源之一，其中含有大量的有害物质，包括CO、NO_x、碳氢化合物和固体悬浮颗粒等。对汽车尾气的治理使环境工作者面临了巨大的挑战。试回答下列问题：

（1）用CH₄催化还原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=-1160kJ•mol^-1

②CH₄（g）+4NO₂（g）═4NO（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-574kJ•mol^-1

则由CH₄将NO₂完成还原成N₂，生成CO₂和水蒸气的热化学方程式是____________________；

（2）NO_x也可被NaOH溶液吸收而生成NaNO₃、NaNO₂，已知某温度下，HNO₂的电离常数K_a=9.7×10^-4mol•L^-1，NO₂^-的水解常数为K_h=8.0×10^-10mol•L^-1，则该温度下水的离子积常数=______（用含Ka、Kh的代数式表示），此时溶液的温度______25℃（“＞”、“＜”、“=”）。

（3）化工上利用CO合成甲醇，反应的热化学方程式为：CO（g）+2H₂（g）CH₃OH（g）△H=-90.8KJ•mol^-1。不同温度下，CO的平衡转化率如右图所示：图中T₁、T₂、T₃的高低顺序是________，理由是______。

（4）化工上还可以利用CH₃OH生成CH₃OCH₃。在体积均为1.0L的恒容密闭容器中发生反应：2CH₃OH(g)CH₃OCH₃(g)+H₂O(g)。

容器编号	温度（℃）	起始物质的量（mol）	平衡物质的量（mol）
CH3OH	CH3OCH3	H2O
Ⅰ	387	0.20	0.080	0．080
Ⅱ	207	0.20	0.090	0.090

该反应的正反应为________反应（填“吸热”、“放热”），若起始是向容器Ⅰ中充入CH₃OH0.15mol、CH₃OCH₃0.15mol和H₂O0.10mol，则反应将向_____方向进行（填“正”、“逆”）。

（5）CH₃OH燃料电池在便携式通讯设备、汽车等领域有着广泛的应用。已知电池工作时的总反应方程式为：2CH₃OH+3O₂=2CO₂+4H₂O，电池工作时的示意图如右图所示：

质子穿过交换膜移向_____电极区（填“M”、“N”），负极的电极反应式为________。

Answer

(1)CH4(g)+2NO2(g)=N2(g)+CO2(g)+2H2O(g) △H=-867kJ•mol-1

(2)Ka×Kh ＞

(3)T1＜T2＜T3 该反应为放热，温度越高，反应物的转化率越低

(4)放热 正

(5)N CH3OH +H2O-6e-=CO2+6H+

【解析】

试题分析：(1)根据盖斯定律分析，反应①+反应②即可得热化学方程式为：

CH4(g)+2NO2(g)=N2(g)+CO2(g)+2H2O(g) △H=-867kJ•mol-1。(2)亚硝酸的电离平衡常数；亚硝酸根离子水解平衡常数，水的离子积常数，所以有水的离子积常数=Ka×Kh ，Kw=9.7×10-4×8.0×10-10 =7.2×10-14，比常温下的水的离子积常数大，说明温度高于25℃。(3)因为正反应为放热反应，所以温度升高，平衡逆向移动，一氧化碳的转化率减小，所以T1＜T2＜T3 。(4)从表格数据分析，温度高，平衡时乙醚的物质的量小，说明升温，平衡逆向移动，正反应为放热。从表格数据计算平衡常数=（0.080×0.080）/(0.20-0.080×2)2=4，Q=（0.15×0.10）/（0.15）2=2/3<5，反应将向正反应方向进行。(5)从图分析，甲醇在负极反应，生成二氧化碳和氢离子，氢离子通过质子交换膜向正极移动，正极为氧气得到电子结合氢离子生成水，右侧产生水，所以右侧为正极，质子向N极移动，负极的电极反应为 CH3OH +H2O-6e-=CO2+6H+

考点： 盖斯定律，平衡移动，平衡常数的计算和应用，原电池的原理

【名师点睛】影响化学平衡移动的因素有浓度温度压强等。增大反应物的浓度，平衡正向移动，升温向吸热方向移动，增大压强，平衡向气体体积减小方向移动。总之平衡总是向减小改变程度的方向移动。