Question

甲烷是天然氣的主要成分，是生產生活中應用非常廣泛的一種化學物質。
（1）一定條件下，用甲烷可以消除氮氧化物（NO_x）的污染。已知：
①CH₄(g) + 4NO(g) = 2N₂(g) + CO₂(g) + 2H₂O(g)； △H₁
②CH₄(g) + 4NO₂(g) =" 4NO(g)" + CO₂(g) + 2H₂O(g)；△H₂
現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的物質的量之比為                    
②已知上述熱化學方程式中△H₁=—1160kJ/mol，則△H₂=          
③在一定條件下NO氣體可以分解為NO₂氣體和N₂氣體，寫出該反應的熱化學方程式                           。
（2）以甲烷為燃料的新型電池，其成本大大低于以氫為燃料的傳統燃料電池，目前得到廣泛的研究，下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     極，電極反應式為                                            
⑤若用該燃料電池做電源，用石墨做電極電解100mL 1mol/L的硫酸銅溶液，寫出陽極的電極反應式                                                  ，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        （標況下），實際上消耗的甲烷體積（折算到標況）比理論上大，可能原因為                                                         .

Answer 1

（1）①3:1   ②—574 kJ/mol ③4NO(g)=2NO₂(g)+N₂(g)；△H=-293KJ/mol（2）④ 負CH₄ + 4O^2— —8e^—= CO₂+ 2H₂O；  ⑤4OH^— —4e^—= O₂↑+ 2H₂O  1.12L  
甲烷不完全被氧化，生成C或CO 或 電池能量轉化率達不到100% 

試題分析：①設混合氣體中NO和NO₂的物質的量分別為X 、Y則(28X+46Y) ÷(X+Y)=2×17.解得Ｘ:Y=3:1.發生（①+②）÷2得③式：CH₄(g)+2NO₂(g)=N₂(g)+CO₂(g)+H₂O(g) △H3=(△H1+△H2) ÷2.假設發生①的甲烷的物質的量為m;發生③的甲烷的物質的量為n. 則m+n=1;4m÷2n=3聯立求解。解得m=0.6.n=0.4.0.4×{(△H1₊△H2) ÷2} +0.6×△H1=-1042.8KJ/mol.將△H1=-1160KJ/mol代人該等式中，解得△H2=—574 kJ/mol.③△H3=(△H1+△H2) ÷2=-(1160 +574) kJ/mol÷2=-867KJ/mol. ①-③得④式：4NO(g) =2NO₂(g)+N₂(g) △H4=△H1-△H3=△H1-(△H1+△H2) ÷2=(△H1-△H2) ÷2=-293KJ/mol. 即NO氣體可以分解為NO₂氣體和N₂氣的熱化學方程式為：4NO(g)=2NO₂(g)+N₂(g)；△H=-293KJ/mol。（2）④通入燃料甲烷的電極是負極，通入氧氣的電極是正極。負極發生的電極式為CH₄ + 4O^2——8e^—= CO₂+ 2H₂O ⑤電解硫酸銅溶液時陽極的電極反應式4OH^— —4e^—= O₂↑+ 2H₂O，陰極的反應式是： Cu²⁺+2e-=Cu；2H⁺+e-=H₂↑。N(Cu)=0.1mol.若兩極收集到的氣體體積相等，設其物質的量為X。則4X=0.1×2+2X。解得X=0.1.在整個反應過程轉移電子相等。電子的物質的量為0.4mol.由于沒摩爾甲烷失去電子8摩爾，所以需要甲烷的物質的量為0.05摩爾。V（CH₄）=0.05摩爾×22.4升/摩爾=1.12 升 。實際上消耗的甲烷體積比理論上大，可能原因是甲烷不完全被氧化，生成C或CO 或 電池能量轉化率達不到100%。