Question

20．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）=CO₂（g）+2H₂O（g）+N₂（g）△H=-867kJ/mol．
（2）脫碳．將CO₂轉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φ（CH₃OH）與反應溫度T的關系曲線如圖1所示，則上述CO₂轉化為甲醇的反應熱△H₃＜0（填“＞”、“＜”或“=”），該反應的平衡常數表達式為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，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轉化為重要的化工原料，A、B是惰性電極．則電子流出的電極為A（用A或B表示），A極的電極反應式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．硫酸銨和硝酸銨的水溶液pH＜7，其原因用離子方程式表示為NH₄⁺+H₂O?NH₃．H₂O+H⁺；常溫下，向一定物質的量濃度的硝酸銨溶液中滴加適量的氨水溶液，使溶液中的NO₃^-和NH₄⁺的物質的量濃度相等，則溶液的pH=7（填寫“＞”“=”或“＜”）．

Answer 1

分析 （1）根據蓋斯定律和熱化學方程式的意義和書寫方法，（①+②）×$\frac{1}{2}$得到熱化學方程式；
（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，根據溫度對化學平衡移動的影響知識來回答，平衡常數等于生成物平衡濃度冪次方乘積除以反應物平衡濃度冪次方乘積；
②三段式來計算平衡濃度，根據化學反應速率v=$\frac{△c}{△t}$以及平衡常數的表達式計算，0～10min內，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，原電池放電時，電子由負極流向正極；
②溶液中銨根離子水解顯示酸性，硝酸銨溶液中滴加適量的NaOH溶液溶液的pH=7，則氫離子和氫氧根離子濃度相等，根據電荷守恒來計算．

解答 解：（1）①CH₄（g）+4NO₂（g）=4NO（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₁=-574kJ•mol^-1
②CH₄（g）+4NO（g）=2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₂=-1160kJ•mol^-1
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根據圖象分析知道：溫度升高，甲醇的體積分數φ（CH₃OH）減小，平衡逆向移動，所以反應是放熱的，即△H＜0，CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g），反應的平衡常數表達式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，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-；原電池放電時，電流由正極流向負極，電子帶負電荷，流動方向與電流方向相反，即電子流向由A流向C，
故答案為：A；SO₂-2e^-+2H₂O=4H⁺+SO₄^2-；
②硫酸銨和硝酸銨的水溶液的pH＜7，其原因是溶液中銨根離子水解顯示酸性，即NH₄⁺+H₂O?NH₃•H₂O+H⁺，常溫下，向一定物質的量濃度的硝酸銨溶液中滴加適量的氨水溶液，使溶液中的NO₃^-和NH₄⁺的物質的量濃度相等，溶液中電荷守恒c（H⁺）+c（NH₄⁺）=c（NO₃^-）+c（OH^-），c（H⁺）=c（OH^-），溶液的pH=7，
故答案為：NH₄⁺+H₂O?NH₃•H₂O+H⁺；=．

點評 本題涉及化學反應中的能量變化以及化學平衡知識的綜合計算知識，原電池原理分析，電解質溶液中電荷守恒的應用，化學反應速率、平衡常數計算分析，屬于綜合知識的考查，難度中等．