Question

4．火力发电厂释放出大量的氮氧化物（NO_x）、二氧化硫和二氧化碳等气体会对环境造成严重影响．对燃煤废气进行脱硝、脱硫和脱碳等处理，可实现绿色环保、节能减排、废物利用等目的．
（1）脱硝．利用甲烷催化还原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
则甲烷直接将NO₂还原为N₂的热化学方程式为CH₄（g）+2NO₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（g）+N₂（g）△H=-867 kJ/mol．
（2）脱碳．将CO₂转化为甲醇的热化学方程式为：
CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H₃
①取五份等体积的CO₂和H₂的混合气体（物质的量之比均为1：3），分别加入温度不同、容积相同的恒容密闭容器中，发生上述反应，反应相同时间后，测得甲醇的体积分数φ（CH₃OH）与反应温度T的关系曲线如图所示，则上述CO₂转化为甲醇的反应热△H₃＜0（填“＞”、“＜”或“=”），该反应的平衡常数表达式为$\frac{c（{CH}_{3}OH）•c{（H}_{2}O）}{c（{CO}_{2}）{•c}^{3}{（H}_{2}）}$．

②在一恒温恒容密闭容器中充入1mol CO₂和3mol H₂，进行上述反应．测得CO₂和CH₃OH（g）的浓度随时间变化如图所示．

试回答：0～10min内，氢气的平均反应速率为0.225mol/（L•min）．第10min后，若向该容器中再充入1mol CO₂和3mol H₂，则再次达到平衡时CH₃OH（g）的体积分数变大（填“变大”、“减少”或“不变”）．
（3）脱硫．
①有学者想利用如图所示装置用原电池原理将SO₂转化为重要的化工原料，A、B是惰性电极．则电子流出的电极为A（用A或B表示），A极的电极反应式为SO₂-2e^-+2H₂O=SO₄^2-+4H⁺．

②某种脱硫工艺中将废气处理后，与一定量的氨气、空气反应，生成硫酸铵和硝酸铵的混合物，可作为化肥．硫酸铵和硝酸铵的水溶液pH＜7，其原因用离子方程式表示为NH₄⁺+H₂O?NH₃．H₂O+H⁺；常温下，向一定物质的量浓度的硝酸铵溶液中滴加适量的氨水溶液，使溶液中的NO₃^-和NH₄⁺的物质的量浓度相等，则溶液的pH=7（填写“＞”“=”或“＜”）．

Answer 1

分析 （1）根据盖斯定律和热化学方程式的意义和书写方法，（①+②）×$\frac{1}{2}$得到热化学方程式；
（2）①图象分析，甲醇含量随温度变化的曲线特征，开始反应进行，平衡后，升温平衡逆向进行，根据温度对化学平衡移动的影响知识来回答，平衡常数K=$\frac{生成物平衡浓度幂次方乘积}{反应物平衡浓度幂次方乘积}$；
②三段式来计算平衡浓度，根据化学反应速率v=$\frac{△c}{△t}$以及平衡常数的表达式计算，0～10min内，二氧化碳的平均反应速率=$\frac{1.0mol/L-0.25mol/L}{10min}$=0.075mol/（L•min），反应速率之比等于化学方程式计量数之比，所以氢气的反应速率是3×0.075mol/（L•min）=0.225mol/（L•min），若向该容器中再充入1mol CO₂和3mol H₂，相当于增大压强，根据压强对化学平衡移动的影响知识来回答；
（3）①SO₂与O₂反应生成SO₃，SO₃再与水化合生成硫酸，根据硫酸的出口判断正负极，负极发生氧化反应，正极发生还原反应，原电池放电时，电子由负极流向正极；
②溶液中铵根离子水解显示酸性，硝酸铵溶液中滴加适量的NaOH溶液溶液的pH=7，则氢离子和氢氧根离子浓度相等，根据电荷守恒来计算．

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
由盖斯定律（①+②）×$\frac{1}{2}$得到热化学方程式为：CH₄（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=$\frac{1}{2}$（-574kJ•mol^-1-1160kJ•mol^-1）=-867 kJ/mol，
故答案为：CH₄（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-867 kJ/mol；
（2）①根据图象分析知道：温度升高，甲醇的体积分数φ（CH₃OH）减小，平衡逆向移动，所以反应是放热的，即△H＜0，CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g），反应的平衡常数表达式K=$\frac{c（{CH}_{3}OH）•c{（H}_{2}O）}{c（{CO}_{2}）{•c}^{3}{（H}_{2}）}$，
故答案为：＜，$\frac{c（{CH}_{3}OH）•c{（H}_{2}O）}{c（{CO}_{2}）{•c}^{3}{（H}_{2}）}$；
②0～10min内，二氧化碳的平均反应速率=$\frac{1.0mol/L-0.25mol/L}{10min}$=0.075mol/（L•min），
所以氢气的反应速率是3×0.075mol/（L•min）=0.225mol/（L•min），向该容器中再充入1mol CO₂和3mol H₂，会使得压强增大，平衡正向移动，所以再次达到平衡时CH₃OH（g）的体积分数变大，
故答案为：0.225；变大；
（3）①该原电池中，负极上失电子被氧化，所以负极上投放的气体是二氧化硫，二氧化硫失电子和水反应生成硫酸根离子和氢离子，则A为负极，A电极发生的反应为：SO₂-2e^-+2 H₂O=4H⁺+SO₄^2-；原电池放电时，电流由正极流向负极，电子带负电荷，流动方向与电流方向相反，即电子流向由A流向C，
故答案为：A；SO₂-2e^-+2 H₂O=4 H⁺+SO₄^2-；
②硫酸铵和硝酸铵的水溶液的pH＜7，其原因是溶液中铵根离子水解显示酸性，即NH₄⁺+H₂O?NH₃•H₂O+H⁺，常温下，向一定物质的量浓度的硝酸铵溶液中滴加适量的氨水溶液，使溶液中的NO₃^-和NH₄⁺的物质的量浓度相等，溶液中电荷守恒c（H⁺）+c（NH₄⁺）=c（NO₃^-）+c（OH^-），c（H⁺）=c（OH^-），溶液的pH=7，
故答案为：NH₄⁺+H₂O?NH₃•H₂O+H⁺；=．

点评 本题涉及化学反应中的能量变化以及化学平衡知识的综合计算知识，原电池原理分析，电解质溶液中电荷守恒的应用，化学反应速率、平衡常数计算分析，属于综合知识的考查，难度中等．