Question

自2013年以来我国“雾霾”污染日益严重。中科院“大气灰霾追因与控制”项目针对北京强霾过程进行分析，强霾过程中，出现了大量有毒有害的含氮有机颗粒物。燃煤和机动车尾气是氮氧化物的上要来源。现在对其中的一些气休进行了一定的研究：

（1）用CH₄催化还原氮氧化物可以消除氮氧化物的污染。

已知：

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

②CH₄（g）+4NO（g）=2N₂（g）+ CO₂（g）+ 2H₂O（g）       △H=-1160kJ·mol^-l

③H₂O（g）=H₂O（1）    △H=-44.0 kJ·mol^-l

写出CH₄（g）与NO₂（g）反应生成N₂（g）、CO₂（g）和H₂O（1）的热化学方程式_______。

（2）为了减轻大气污染，人们提出在汽车尾气排气管口采用催化剂将NO和CO转化成无污染气体参与大气循环。T℃时，将等物质的量的NO和CO充入容积为2L的密闭容器中，保持温度和体积不变，反应过程中NO的物质的量随时间变化如右图所示。

① 写出该反应的化学方程式_______________。

②10 min内该反应的速率v(N₂)=_______；该反应达平衡时CO的转化率为________；T℃时该化学反应的平衡常数K=____________。

③若该反应△H<0，在恒容的密闭容器中，反应达平衡后，改变某一条件，下列示意图正确的是__________。

④一定温度下，在恒容密闭容器中充入一定量NO和CO进行该反应，能判断反应已达到化学平衡状态的是__________。

a．容器中压强不再变化         b．CO₂的浓度不再改变

c．2v正(NO)=v逆(N₂)          d．气体的密度保持不变

（3）以燃料电池为代表的新能源的推广使用能大大降低污染物的排放。如图是一种甲醚燃料电池结构，请写出该电池负极的电极反应式_______________。

    

Answer

CH4(g)+2NO2(g)= N2(g)+ CO2(g)+ 4H2O(l) △H=-955kJ·mol-l 2NO+2CO=N2+2CO2 0.005mol L-1 min-1 50% 5 c a b CH3OCH3-12e-+16OH-=2CO32-+11H2O

【解析】试题分析：本题为化学反应原理综合题，是高考必考题型，考查点涉及热化学方程式的书写、盖斯定律，化学反应速率计算、化学平衡状态的判断、计算和图像分析，电池反应式的书写，题目难度中等。

（1）已知：①CH4（g）+4NO2（g）=4NO（g）+ CO2（g）+2H2O（g）     △H=-574kJ·mol-l ；②CH4（g）+4NO（g）=2N2（g）+ CO2（g）+ 2H2O（g）       △H=-1160kJ·mol-l；③H2O（g）=H2O（1）    △H=-44.0 kJ·mol-l。根据盖斯定律：（①+②+③×2）÷2得CH4（g）与NO2（g）反应生成N2（g）、CO2（g）和H2O（1）的热化学方程式为CH4(g)+2NO2(g)= N2(g)+ CO2(g)+ 4H2O(l) △H=-955kJ·mol-l 。

（2）① 采用催化剂将NO和CO转化成无污染气体二氧化碳和氮气，该反应的化学方程式为2NO+2CO=N2+2CO2。

②由图像知10 min内NO的物质的量变化为（0.4-0.2）mol=0.2mol，由反应方程式知N2的物质的量变化为0.1mol，浓度变化为0.05mol/L，该反应的速率v(N2)=0.05mol/L÷10min=0.005mol L-1 min-1；CO的物质的量变化为0.2mol，起始CO的物质的量和NO的物质的量相同，均为0.4mol，该反应达平衡时CO的转化率为0.2mol/0.4mol×100%=50%；

利用三行式分析。2NO+2CO=N2+2CO2

起始浓度（mol/L）0.2 0.2 0 0

转化浓度（mol/L）0.1 0.1 0.05 0.1

平衡浓度（mol/L）0.1 0.1 0.05 0.1

则T℃时该化学反应的平衡常数K=c2(CO2)c(N2)/c2(NO)c2(CO)=5。

③a.该反应为放热反应，升高温度，K减小，与图像不符，错误；b.该反应为放热反应，升高温度，平衡逆向移动，CO的转化率降低，与图像不符，错误；c.平衡常数的影响因素为温度，温度不变，K不变，与图像相符，正确；d.增大N2的浓度，平衡逆向移动，NO的转化率降低，与图像不符，错误；故选c。

④a．随着反应的进行，容器内气体的物质的量逐渐减小，根据阿伏伽德罗定律知容器中压强逐渐减小，当容器内压强不再变化说明反应达到平衡状态，正确；b．反应达平衡后各物质的浓度不变，若CO2的浓度不再改变，反应达到平衡状态，正确；c．2v正(NO)=v逆(N2) ，正、逆反应速率不相等，反应维达平衡，错误； d．一定温度下，在恒容密闭容器中，根据质量守恒定律知容器内气体的质量保持不变，气体的密度不随反应的进行而变化，密度保持不变不能说明反应达到平衡状态，错误；故选ab。

（3）碱性甲醚燃料电池中，甲醚发生氧化反应，生成碳酸根，利用原子守恒、电荷守恒配平，该电池负极的电极反应式CH3OCH3-12e-+16OH-=2CO32-+11H2O 。