Question

（14分）近年來霧霾天氣多次肆虐我國部分地區。其中燃煤和汽車尾氣是造成空氣污染的原因之一。
（1）汽車尾氣凈化的主要原理為：2NO(g) + 2CO(g)2CO₂(g)+ N₂(g)。在密閉容器
中發生該反應時，c(CO₂)隨溫度(T)和時間(t)的變化曲線如圖1所示。據此判斷：
①該反應的△H        0（填“＜”或“＞”）。
②在T₂溫度下，0～2s內的平均反應速率v (N₂)為          。
③若該反應在絕熱、恒容的密閉體系中進行，下列圖2中正確且能說明反應在進行到t₁時刻達到平衡狀態的是         （填字母編號）。
             
圖1                                圖2
（2）直接排放煤燃燒產生的煙氣會引起嚴重的環境問題。煤燃燒產生的煙氣中含氮的氧化物，用CH₄催化還原NO_x可以消除氮氧化物的污染。
已知：CH₄(g)+2NO₂(g)＝N₂(g)＋CO₂(g)+2H₂O(g)　 △H＝－867 kJ/mol         ①
2NO₂(g)N₂O₄(g)   △H＝－56.9 kJ/mol          ②
H₂O(g)＝H₂O(l)    △H＝－44.0 kJ/mol             ③
寫出CH₄催化還原N₂O₄(g)生成N₂和H₂O(l)的熱化學方程式               。
（3）甲烷燃料電池可以提升能量利用率。下圖是利用甲烷燃料電池電解100mL 1 mol/L食鹽
水的裝置，電解一段時間后，收集到標準狀況下的氫氣2.24L（設電解后溶液體積不變）。

①該燃料電池的負極反應式為        。
②電解后溶液的pH約為             （忽略氯氣與氫氧化鈉溶液反應）。
③陽極產生氣體的體積在標準狀況下約為           L。

Answer 1

（14分）（每空2分）（1）①＜   ②0.025mol/(L·s)  ③c
（2）N₂O₄(g)+CH₄(g)=N₂(g)+2H₂O（l）+CO₂(g)  △H=－898.1kJ/mol
（3）①CH₄-8e^-+2H₂O= CO₂+8 H⁺   ②14   ③1.68

試題分析：（1）①根據化學平衡中“先拐先平”的規律，T₁>T₂,則溫度升高，二氧化碳濃度減小，說明升溫平衡逆向移動，所以正向是放熱反應△H<0；
②2s內二氧化碳的濃度增加0.1mol/L，則氮氣的濃度增加0.05mol/L，所以v (N₂)=0.05mol/L/2s=0.025mol/(L·s)；
③圖a中t₁時刻說明正反應速率最大，因為該反應為放熱反應，容器為絕熱容器，所以開始時相當于給體系升溫，溫度升高，反應速率加快，但同時升溫不利于正反應的進行，所以正反應速率后來又逐漸減小，當正反應速率不再變化時說明達平衡狀態，因此t₁時刻未達到平衡狀態；b圖中t₁時刻的一氧化碳和二氧化碳的物質的量相等，不能說明t₁時刻達到平衡狀態；c圖中t₁時刻NO的質量分數不再變化，說明已達平衡狀態，正確，答案選c。
（2）根據蓋斯定律，目標方程式=①-②+2×③，所以CH₄催化還原N₂O₄(g)生成N₂和H₂O(l)的熱化學方程式為N₂O₄(g)+CH₄(g)=N₂(g)+2H₂O（l）+CO₂(g)  △H=－898.1kJ/mol
（3）①燃料電池中的負極是燃料發生氧化反應，所以該燃料電池的負極反應式為CH₄-8e^-+2H₂O= CO₂+8 H⁺
②食鹽水中的Cl^-的物質的量是0.1mol，若按電解食鹽水的化學方程式中2NaOH～H₂～Cl₂，當生成0.1mol氫氣時，應生成0.1mol氯氣，與題意不符，所以電解食鹽水開始是Cl^-和H⁺放電，Cl^-放電完畢后是OH^－放電，因此溶液中氫氧化鈉的物質的量為0.05mol×2=0.1mol，所以c(OH^－)=0.1mol/0.1L=1mol/L，溶液pH=14；
③根據②的分析，陽極產生0.05mol的氯氣和0.025mol的氧氣，所以標準狀況下的體積是1.68L。