Question

我国是全球第一个实现了在海域可燃冰试开采中获得连续稳定产气的国家。可燃冰中的甲烷作为种重要的原料，可与CO₂、NO₂等作用从而减少温室效应、消除氮氧化物的污染。回答下列问题：

(1)已知：①CH₄(g)+O₂(g) CH₂OH(1)        △H₁=－164.0kJ·mol^－1

②2CO(g)+O₂(g) 2CO₂(g)        △H2=－566.0kJ·mol^－1

③2H₂(g)+CO(g) CH₃OH(1)        △H3=－128.3kJ·mol^－1

则利用气体甲烷与二氧化碳作用获得两种气态燃料的热化学方程式为________________________。

(2)分别向不同的恒压密闭容器中通入等量的CH₄与CO₂，在一定条件下发生上述反应，测得CH₄的平衡转化率与温度、压强的关系如图所示：

①温度不变，压强由p₁逐渐变化到p₄，CO₂的平衡转化率将____________(填“增大”“减小”或“不变”)。

②在压强为p₄=0.36MPa、温度为1100℃的条件下，平衡时CH₄的平衡转化率为80%，则该温度下反应的平衡常数K_p=____________(MPa)²(K_p为以分压表示的平衡常数，保留2位小数)。

(3)在一定温度下，甲烷还可与NO₂作用实现废气的脱硝，反应为：CH₄(g)+2NO₂(g) CO₂+N₂(g)+2H₂O(g)，体系压强直接影响脱硝的效率，如图所示，当体系压强约为425kPa时，脱硝效率最高，其可能的原因是________________________。

(4)对于反应，有科学家提出如下反应历程：

第一步NO₂NO+O慢反应

第二步CH₄+3O→CO+2H₂O快反应

第三步2CO+2NO→2CO₂+N₂慢反应

下列表述正确的是____________(填标号)。

A.第一步需要吸收外界的能量

B.整个过程中，第二步反应活化能较高

C.反应的中间产物只有NO

D.第三步中CO与NO的碰撞仅部分有效

(5)利用CH₄与NO₂的反应还可设计成如图电化学装置，则正极电极反应式为____________；电路中转移1mol电子，可去除NO₂____________L(标准状况)。

Answer

CH4(g)+ CO2(g) 2H2(g)+2CO(g) △H=+247.3 kJ·mol－1； 减小 1.64 该反应是反应前后气体分子数增加的反应，当体系压强低于425kPa反应速率比较慢，当体系压强高于425kPa，平衡逆向移动，脱硝的效率降低 AD 2NO2+8e-+8H+= N2+4H2O 5.6

【解析】

（1）利用盖斯定律①- (②+③)得：CH4(g)+ CO2(g) 2H2(g)+2CO(g) △H=△H1-(△H2+△H3)= －164.0kJ·mol－1 –[(－566.0kJ·mol－1)+ (－128.3kJ·mol－1)]=+247.3 kJ·mol－1；

（2）①依据反应方程式判断出这个反应是一个气体分子数增加的反应，从图形的变化，可以判断出p1到p4压强的变化，从图中分析出甲烷的转化率的变化，因为它们的化学计量数之比等于1:1，与刚开始的投料比相同，所以CH4与CO2的平衡转化率相同；

②分压平衡常数，根据甲烷的转化率，先求出反应物、生成物各自的物质的量分数，然后再求出各自的分压；

（3）从图中判断压强对反应速率、对平衡转化率的影响，二者结合，发现CH4(g)+2NO2(g) CO2+N2(g)+2H2O(g)，该反应是反应前后气体分子数增加的反应，当体系压强低于425kPa反应速率比较慢，当体系压强高于425kPa，平衡逆向移动，脱硝的效率降低；

（4）多步反应的判断，反应越慢，活化能越大；

（5）从电池图中，判断出正负极以及发生的反应式：电池的总反应式 CH4+2NO2 = CO2+N2+2H2O。

（1）依据盖斯定律①- (②+③)得：CH4(g)+ CO2(g) 2H2(g)+2CO(g) △H=△H1-(△H2+△H3)= －164.0kJ·mol－1 –[(－566.0kJ·mol－1)+ (－128.3kJ·mol－1)]=+247.3 kJ·mol－1；

（2）①由图像可知温度不变，压强由p1逐渐变化到p4，CH4的平衡转化率逐渐减小，反应开始时通入等量的CH4与CO2，因为它们的化学计量数之比等于1:1，与刚开始的投料比相同，所以CH4与CO2的平衡转化率相同，故 温度不变，压强由p1逐渐变化到p4，CO2的平衡转化率将减小；

②CH4与CO2的反应方程式为：CH4(g)+ CO2(g) 2H2(g)+2CO(g)，设刚开始通入CH4与CO2的物质的量都是amol，在压强为p4=0.36MPa、温度为1100℃的条件下，平衡时CH4的平衡转化率为80%，则平衡时n(CH4)=n(CO2)=0.2amol，n(H2)=n(CO)=1.6amol，p(CH4)= p(CO2)= 0.36MPa =0.02 MPa，p(H2)=p(CO)= 0.36MPa=0.16 MPa，该温度下反应的平衡常数Kp= = =1.64(MPa)2；

（3）在一定温度下，甲烷还可与NO2作用实现废气的脱硝，反应为：CH4(g)+2NO2(g) CO2+N2(g)+2H2O(g)，该反应是反应前后气体分子数增加的反应，当体系压强低于425kPa反应速率比较慢，当体系压强高于425kPa，平衡逆向移动，脱硝的效率降低；

（4）A．第一步NO2NO+O反应是一个慢反应，活化能比较大，反应发生需要从外界吸收能量，A正确；

B．第二步CH4+3O→CO+2H2O反应是一个快反应，反应的活化能比较小，B错误；

C．反应的中间产物有NO、O、CO，C错误；

D．第三步2CO+2NO→2CO2+N2反应是一个慢反应，仅部分碰撞是有效碰撞，D正确；

（5）利用CH4与NO2的反应设计的原电池，从图中可以看到NO2转化为N2，CH4转化为CO2，电池的总反应式 CH4+2NO2 = CO2+N2+2H2O，正极发生还原反应，正极反应式为：2NO2+8e-+8H+= N2+4H2O，电路中转移1mol电子，消耗NO2物质的量为：n(NO2)=0.25mol，

在标准状况下，可去除NO2的体积为：0.25mol22.4L.mol-1=5.6L；