Question

（15分）火力发电厂释放出大量氮氧化物（NO_x）、SO₂和CO₂等气体会造成环境问题。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＝－574 kJ·mol^－1
CH₄(g) ＋ 4NO(g) ＝2N₂(g) ＋ CO₂(g) ＋ 2H₂O(g)  △H₂＝－1160 kJ·mol^－1
甲烷直接将NO₂还原为N₂的热化学方程式为                                   。
（2）脱碳。将CO₂转化为甲醇：CO₂(g)＋3H₂(g) CH₃OH(g)＋H₂O(g)   △H₃
       
①在一恒温恒容密闭容器中充入1 mol CO₂和3 mol H₂进行上述反应。测得CO₂和CH₃OH(g)浓度随时间变化如图1所示。回答：0~10 min内，氢气的平均反应速率为    mol/(L·min)；第10 min后，保持温度不变，向该密闭容器中再充入1 mol CO₂(g)和1 mol H₂O(g)，则平衡        （填“正向”、“逆向”或“不”）移动。
②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2所示，则上述CO₂转化为甲醇的反应的△H₃    0（填“＞”、“＜”或“＝”）。
（3）脱硫。利用Na₂SO₃溶液可脱除烟气中的SO₂。Na₂SO₃可由NaOH溶液吸收SO₂制得。NaOH溶液吸收SO₂的过程中，pH随n(SO₃^2-)︰n(HSO₃^﹣)变化关系如下表：

n(SO32﹣)︰n(HSO3﹣)	91︰9	1︰1	9︰91
pH	8.2	7.2	6.2

① 由上表判断，NaHSO₃溶液显　　　性，用化学平衡原理解释：　　　　　　　　　　  　　。
② 当溶液呈中性时，离子浓度关系正确的是（选填字母）：　　　　。
a．c(Na⁺)=2c(SO₃^2-)+c(HSO₃^-)
b．c(Na⁺) > c(HSO₃^-) > c(SO₃^2-) > c(H⁺) = c(OH^-)
c．c(Na⁺) + c(H⁺) = c(SO₃^2-) + c(HSO₃^-) + c(OH^-)

Answer 1

(15分)
（1）CH₄（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-867 kJ?mol^-1（3分）
（2）①0.225 （2分）；正向（2分）
②＜（2分）
（3）①酸（2分）溶液中存在：HSO₃^- SO₃^2-＋ H⁺ HSO₃^-＋H₂O H₂SO₃＋OH^-电离程度大于水解程度，故溶液显酸性（2分）
②ab（2分）

试题分析：（1）首先写出CH₄将NO₂还原为N₂的化学方程式并注明状态，然后根据盖斯定律求出焓变，第1步反应根据NO₂，第2步反应根据N₂可得：?H=1/2?H₁+1/2?H₂=-867 kJ?mol^-1，进而写出热化学方程式。
（2）①0~10 min内，氢气的平均反应速率v（H₂）=3v（CH₃OH）="3×0.75mol/L÷10min=0.225" mol/（L·min）；
根据三段式求算各物质平衡浓度：CO₂（g）＋3H₂（g）CH₃OH（g）＋H₂O（g）
初始浓度（mol?L?¹）           1.00       3             0           0
转化浓度（mol?L?¹）           0.75       2.25           0.75         0.75     
平衡浓度（mol?L?¹）           0.25       0.75          0.75         0.75
平衡常数K=0.75×0.75÷（0.25×0.75³）=5.33，向该密闭容器中再充入1 mol CO₂(g)和1 mol H₂O(g)，浓度商Q=0.75×1.75÷（1.25×0.75³）="2.49" < K，则平衡正向移动。
②由图可知最高点反应到达平衡，达平衡后，温度越高，φ（CH₃OH）越小，平衡向逆反应进行，升高温度平衡吸热方向进行，逆反应为吸热反应，则正反应为放热反应，即△H₃＜0。
（3）①由表格中的数据可知，HSO₃^-越多，酸性越强，所以NaHSO₃溶液显酸性；HSO₃?电离生成氢离子，电离方程式为HSO₃^-?H⁺+SO₃^2-，同时HSO₃?还能水解，HSO₃^-＋H₂O H₂SO₃＋OH^-，溶液显酸性是因其电离大于其水解。
②当溶液呈中性时，溶质为亚硫酸钠和亚硫酸氢钠，电离与水解的程度相等，a．由电荷守恒可知，c（H⁺）+c（Na⁺）═2c（SO₃^2-）+c（HSO₃^-）+c（OH^-），中性溶液则c（H⁺）═c（OH^-），则c（Na⁺）═2c（SO₃^2-）+c（HSO₃^-），正确；b．SO₃^2-+H₂O?HSO₃^-+OH^-，HSO₃^-?H⁺+SO₃^2-，亚硫酸两步水解，则离子浓度为c（Na⁺）＞c（HSO₃^-）＞c（SO₃^2-）＞c（H⁺）=c（OH^-），正确；c．根据电荷守恒可得：c（Na⁺）+c（H⁺）═2c（SO₃^2-）+c（HSO₃^-）+c（OH^-），错误。