Question

14．火力發(fā)電廠釋放出大量的氮氧化物（NO_x）、二氧化硫和二氧化碳等氣體會對環(huán)境造成嚴重影響．對燃煤廢氣進行脫硝?脫硫和脫碳等處理，可實現(xiàn)綠色環(huán)保、節(jié)能減排、廢物利用等目的．

（1）脫硝．
利用甲烷催化還原NO_x：
CH₄（g）+4NO₂（g）=4NO（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₁=-574kJ/mol
CH₄（g）+4NO（g）=2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₂=-1160kJ/mol則甲烷直接將NO₂還原為N₂的熱化學方程式為CH₄（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-867 kJ/mol．
（2）脫碳．
將CO₂轉(zhuǎn)化為甲醇的熱化學方程式為：
CO₂（g）+3H₂（g）═CH₃OH（g）+H₂O（g）△H₃
①取五份等體積的CO₂和H₂的混合氣體（物質(zhì)的量之比均為1：3），分別加入溫度不同、容積相同的恒容密閉容器中，發(fā)生上述反應，反應相同時間后，測得甲醇的體積分數(shù)φ（CH₃OH）與反應溫度T的關系曲線如圖1所示，則上述CO₂轉(zhuǎn)化為甲醇的反應熱△H₃＜0（填“＞”?“＜”或“=”），該反應的平衡常數(shù)表達式為K=$\frac{{c（C{H_3}OH）•c（{H_2}O）}}{{c（C{O_2}）•{c^3}（{H_2}）}}$．
②在一恒溫恒容密閉容器中充入1mol CO₂和3mol H₂，進行上述反應．測得CO₂和CH₃OH（g）的濃度隨時間變化如圖2所示，試回答：
0～10min內(nèi)，氫氣的平均反應速率為0.225mol/（L•min）．第10min后，若向該容器中再充入1mol CO₂和3mol H₂，則再次達到平衡時CH₃OH（g）的體積分數(shù)變大 （填“變大”?“減少”或“不變”）．
（3）脫硫．
①有學者想利用如圖3所示裝置用原電池原理將SO₂轉(zhuǎn)化為重要的化工原料．A?B是惰性電極，A極的電極反應式為：SO₂-2e^-+2H₂O=SO₄^2-+4H⁺．
②某種脫硫工藝中將廢氣處理后，與一定量的氨氣、空氣反應，生成硫酸銨和硝酸銨的混合物，可作為化肥．常溫下，將NH₄NO₃溶解于水中，為了使該溶液中的NH₄⁺和 NO₃^-離子的物質(zhì)的量濃度之比等于1：1，可以采取的正確措施為B
A．加入適量的硝酸，抑制 NH₄⁺的水解
B．加入適量的氨水，使溶液的 PH=7
C．加入適量的 NaOH 溶液，使溶液的PH=7
D．加入適量的NH₄NO₃．

Answer 1

分析 （1）根據(jù)蓋斯定律和熱化學方程式的意義和書寫方法，根據(jù)已知方程式（①+②）×$\frac{1}{2}$構(gòu)建目標方程式，反應熱與化學計量數(shù)成正比；
（2）①圖象分析，甲醇含量隨溫度變化的曲線特征，開始反應進行，平衡后，升溫平衡逆向進行，根據(jù)溫度對化學平衡移動的影響知識來回答，平衡常數(shù)K=$\frac{生成物平衡濃度冪次方乘積}{反應物平衡濃度冪次方乘積}$；
②三段式來計算平衡濃度，根據(jù)化學反應速率v=$\frac{△c}{△t}$以及平衡常數(shù)的表達式計算，0～10min內(nèi)，二氧化碳的平均反應速率=$\frac{1.0mol/L-0.25mol/L}{10min}$=0.075mol/（L•min），反應速率之比等于化學方程式計量數(shù)之比，所以氫氣的反應速率是3×0.075mol/（L•min）=0.225mol/（L•min），若向該容器中再充入1mol CO₂和3mol H₂，相當于增大壓強，根據(jù)壓強對化學平衡移動的影響知識來回答；
（3）①SO₂與O₂反應生成SO₃，SO₃再與水化合生成硫酸，根據(jù)硫酸的出口判斷正負極，負極發(fā)生氧化反應，正極發(fā)生還原反應；
②硝酸銨是強酸弱堿鹽，由于NH₄⁺水解，導致溶液中c（NH₄⁺）＜c（NO₃^-），氫離子濃度大于氫氧根離子濃度，溶液呈酸性；為了配制NH₄⁺與NO₃^-的濃度比為1：1的溶液，須加一定量的能電離出銨根離子的物質(zhì)，或減少溶液中NO₃^-的濃度，據(jù)此分析．

解答 解：（1）①CH₄（g）+4NO₂（g）=4NO（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₁=-574kJ/mol
②CH₄（g）+4NO（g）=2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₂=-1160kJ/mol
由蓋斯定律（①+②）×$\frac{1}{2}$得到熱化學方程式為：CH₄（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=$\frac{1}{2}$（-574kJ•mol^-1-1160kJ•mol^-1）=-867 kJ/mol，
故答案為：CH₄（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-867 kJ/mol；
（2）①根據(jù)圖象分析知道：溫度升高，甲醇的體積分數(shù)φ（CH₃OH）減小，平衡逆向移動，所以反應是放熱的，即△H₃＜0，CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g），反應的平衡常數(shù)表達式  K=$\frac{{c（C{H_3}OH）•c（{H_2}O）}}{{c（C{O_2}）•{c^3}（{H_2}）}}$，
故答案為：＜；$\frac{{c（C{H_3}OH）•c（{H_2}O）}}{{c（C{O_2}）•{c^3}（{H_2}）}}$；
②0～10min內(nèi)，二氧化碳的平均反應速率=$\frac{1.0mol/L-0.25mol/L}{10min}$=0.075mol/（L•min），所以氫氣的反應速率是3×0.075mol/（L•min）=0.225mol/（L•min），向該容器中再充入1mol CO₂和3mol H₂，會使得壓強增大，平衡正向移動，所以再次達到平衡時CH₃OH（g）的體積分數(shù)變大，
故答案為：0.225；變大；
（3）①該原電池中，負極上失電子被氧化，所以負極上投放的氣體是二氧化硫，二氧化硫失電子和水反應生成硫酸根離子和氫離子，則A為負極，A電極發(fā)生的反應為：SO₂-2e^-+2 H₂O=4H⁺+SO₄^2-，
故答案為：SO₂-2e^-+2 H₂O=4H⁺+SO₄^2-；
②硝酸銨是強酸弱堿鹽，由于NH₄⁺水解，因銨鹽要發(fā)生水解：NH₄⁺+H₂O?NH₃•H₂O+H⁺，導致溶液中c（NH₄⁺）＜c（NO₃^-）．
A．加入硝酸，氫離子的濃度增大能抑制銨根離子的水解，但硝酸中有硝酸根離子導致硝酸根離子的濃度增大，c（NH₄⁺）＜c（NO₃^-），故A錯誤；
B．加入氨水使溶液的PH=7，溶液中氫離子濃度等于氫氧根離子濃度，溶液呈中性，溶液中陰陽離子所帶的電荷相等，所以c（NH₄⁺）：c（NO₃^-）=l：l，故B正確；
C．加入適量的NaOH，使溶液的pH=7，溶液中氫離子濃度等于氫氧根離子濃度，溶液呈中性，溶液中陰陽離子所帶的電荷相等，[c（NH₄⁺）+C（Na⁺）]：c（NO₃^-）=l：l，所以c（NH₄⁺）：c（NO₃^-）小于l：l，故C錯誤；
D．再加入適量的NH₄NO₃，不能抑制銨根離子的水解，仍存在c（NH₄⁺）：c（NO₃^-）小于l：l，故D錯誤；
故答案為：B．

點評 本題考查化學平衡的影響因素、熱化學方程式、鹽類水解等，培養(yǎng)了學生分析問題解決問題的能力，需要學生具備扎實的基礎，注意含弱根離子的鹽類水解（弱酸弱堿鹽除外）都是較微弱的，鹽類在水中以電離為主，題目難度中等．