Question

15．火力发电厂释放出大量氮的氧化物（NO_x）、二氧化硫等气体会造成环境污染，对燃煤废气进行脱除处理．可实现绿色环保、低碳减排、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
甲烷直接将NO₂还原为N₂的热化学方程式为CH₄（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-867kJ/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（见如图1），则上述CO₂转化为甲醇反应的△H₃＜0（填“＞”、“＜”或“=”）．
②在一恒温恒容密闭容器中充入0.5molCO₂和1.5molH₂，进行上述反应．测得CO₂和CH₃OH（g）的浓度随时间变化如图2所示．请回答：0～10min内，氢气的平均反应速率0.225mol/（L•min）；第10min后，若升温，该反应的平衡常数将减小（填“变大”、“减小”、“不变”）；若向该容器中再充入1molCO₂和3molH₂再次达到平衡时，则CH₃OH（g）的体积分数将变大（“变大”、“减小”、“不变”）．
（3）脱硫．
某种脱硫工艺中将废气经处理后，与一定量的氨气、空气反应，生成硫酸铵和硝酸铵的混合物作为副产品化肥．设烟气中的SO₂、NO₂的物质的量之比为1：1，则该反应的化学方程式为4SO₂+4NO₂+12NH₃+3O₂+6H₂O═4（NH₄）₂SO₄+4NH₄NO₃．若在0.1mol/L的硝酸铵溶液中加入等体积的0.09mol/L氨水，配制了pH=8.2的溶液，则该溶液中微粒浓度由小到大的顺序为c（H⁺）＜c（OH^-）＜c（NH₃•H₂O）＜c（NO₃^-）＜c（NH₄⁺）
（4）SO₂经分离后，可用于制备硫酸，同时获得电能，装置如图3所示（电极均为惰性材料）：
①M极发生的电极反应式为SO₂+2H₂O-2e^-=SO₄^2-+4H⁺．
②若使该装置的电流强度达到2.0A，理论上每分钟应向负极通入标准状况下气体的体积为0.014L（已知：1个e-所带电量为1.6×10^-19C）．

Answer 1

分析 （1）根据盖斯定律，利用已知化学反应方程式乘以某个系数相加或相减，构造出目标化学反应方程式，该化学反应的焓变即为已知化学反应方程式的焓变乘以某个系数相加或相减得到；
（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；
②根据化学反应速率v=$\frac{△c}{△t}$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），所以氢气的反应速率是3×0.075mol/（L•min）=0.225mol/（L•min），反应为放热反应升温平衡逆向进行，平衡常数减小，向该容器中再充入1mol CO₂和3mol H₂，会使得压强增大；
（3）设烟气中的SO₂、NO₂的物质的量之比为1：1，将废气经处理后，与一定量的氨气、空气反应，生成硫酸铵和硝酸铵，结合电子守恒和原子守恒配平书写化学方程式；若在0.1mol/L的硝酸铵溶液中加入等体积的0.09mol/L氨水，配制了pH=8.2的溶液，溶液中一水合氨电离程度大于铵根离子的水解程度；
（4）①该装置是原电池，反应原理为二氧化硫、氧气和水反应生成硫酸，负极上的物质失电子发生氧化反应，正极上的物质得电子发生还原反应，据此分析M极发生的电极反应式；
②根据Q=It和N=$\frac{Q}{e}$结合SO₂-2e^-+2H₂O=4H⁺+SO₄^2-计算．

解答 解：（1）因盖斯定律，不管化学反应是一步完成还是分几步完成，其反应热是相同的．
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
盖斯定律计算（①+②）×$\frac{1}{2}$，可得
CH₄（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-867kJ/mol，
故答案为：CH₄（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-867kJ/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，
故答案为：＜；
②根据化学反应速率v=$\frac{△c}{△t}$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），所以氢气的反应速率是3×0.075mol/（L•min）=0.225mol/（L•min），反应为放热反应升温平衡逆向进行，平衡常数减小，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：0.225mol/（L•min）； 减小；  变大；
 （3）设烟气中的SO₂、NO₂的物质的量之比为1：1，将废气经处理后，与一定量的氨气、空气反应，生成硫酸铵和硝酸铵，反应方程式为12NH₃+3O₂+4SO₂+4NO₂+6H₂O=4（NH₄）₂SO₄+4NH₄NO₃，若在0.1mol/L的硝酸铵溶液中加入等体积的0.09mol/L氨水，配制了pH=8.2的溶液，溶液中一水合氨电离程度大于铵根离子的水解程度，水解和电离程度都不大，溶液中离子浓度大小由小到大的顺序：c（H⁺）＜c（OH^-）＜c（NH₃•H₂O）＜c（NO₃^-）＜c（NH₄⁺），
故答案为：12NH₃+3O₂+4SO₂+4NO₂+6H₂O=4（NH₄）₂SO₄+4NH₄NO₃；c（H⁺）＜c（OH^-）＜c（NH₃•H₂O）＜c（NO₃^-）＜c（NH₄⁺）；
（4）①该装置是原电池，反应原理为二氧化硫、氧气和水反应生成硫酸，通入氧气的N电极是正极，原电池放电时，氢离子由负极移向正极，正极上氧气得电子和氢离子反应生成水，电极反应式为：O₂+4e^-+4H⁺=2H₂O，负极M上，二氧化硫失电子和水反应生成硫酸，电极反应式为：SO₂-2e^-+2H₂O=4H⁺+SO₄^2-，
故答案为：SO₂-2e^-+2H₂O=4H⁺+SO₄^2-；
②根据Q=It=2A×60s=120C，N=$\frac{Q}{e}$=$\frac{120}{1.6×1{0}^{-19}}$=7.5×10²⁰个，
由SO₂～～～～2e^-
22.4         2×6.02×10²³
V               7.5×10²⁰
V=$\frac{22.4×7.5×1{0}^{20}}{2×6.02×1{0}^{23}}$≈0.014L，
故答案为：0.014．

点评 本题综合性较大，涉及到离子方程式、电解原理和离子浓度大小的比较、化学平衡影响因素以及电化学知识等知识点，为高考常见题型，侧重于学生的分析能力的考查，题目难度中等．