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(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）=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(shù)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(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，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(jù)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(jù)溫度對化學平衡移動的影響知識來回答，平衡常數(shù)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(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，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，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(jù)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(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△H＜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，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-；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(shù)計算分析，屬于綜合知識的考查，難度中等．