Question

14．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）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（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1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K=$\frac{{c（C{H_3}OH）•c（{H_2}O）}}{{c（C{O_2}）•{c^3}（{H_2}）}}$．
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2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3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，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．常温下，将NH₄NO₃溶解于水中，为了使该溶液中的NH₄⁺和 NO₃^-离子的物质的量浓度之比等于1：1，可以采取的正确措施为B
A．加入适量的硝酸，抑制 NH₄⁺的水解
B．加入适量的氨水，使溶液的 PH=7
C．加入适量的 NaOH 溶液，使溶液的PH=7
D．加入适量的NH₄NO₃．

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，根据已知方程式（①+②）×$\frac{1}{2}$构建目标方程式，反应热与化学计量数成正比；
（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；
②硝酸铵是强酸弱碱盐，由于NH₄⁺水解，导致溶液中c（NH₄⁺）＜c（NO₃^-），氢离子浓度大于氢氧根离子浓度，溶液呈酸性；为了配制NH₄⁺与NO₃^-的浓度比为1：1的溶液，须加一定量的能电离出铵根离子的物质，或减少溶液中NO₃^-的浓度，据此分析．

解答 解：（1）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
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△H₃＜0，CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g），反应的平衡常数表达式  K=$\frac{{c（C{H_3}OH）•c（{H_2}O）}}{{c（C{O_2}）•{c^3}（{H_2}）}}$，
故答案为：＜；$\frac{{c（C{H_3}OH）•c（{H_2}O）}}{{c（C{O_2}）•{c^3}（{H_2}）}}$；
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-，
故答案为：SO₂-2e^-+2 H₂O=4H⁺+SO₄^2-；
②硝酸铵是强酸弱碱盐，由于NH₄⁺水解，因铵盐要发生水解：NH₄⁺+H₂O?NH₃•H₂O+H⁺，导致溶液中c（NH₄⁺）＜c（NO₃^-）．
A．加入硝酸，氢离子的浓度增大能抑制铵根离子的水解，但硝酸中有硝酸根离子导致硝酸根离子的浓度增大，c（NH₄⁺）＜c（NO₃^-），故A错误；
B．加入氨水使溶液的PH=7，溶液中氢离子浓度等于氢氧根离子浓度，溶液呈中性，溶液中阴阳离子所带的电荷相等，所以c（NH₄⁺）：c（NO₃^-）=l：l，故B正确；
C．加入适量的NaOH，使溶液的pH=7，溶液中氢离子浓度等于氢氧根离子浓度，溶液呈中性，溶液中阴阳离子所带的电荷相等，[c（NH₄⁺）+C（Na⁺）]：c（NO₃^-）=l：l，所以c（NH₄⁺）：c（NO₃^-）小于l：l，故C错误；
D．再加入适量的NH₄NO₃，不能抑制铵根离子的水解，仍存在c（NH₄⁺）：c（NO₃^-）小于l：l，故D错误；
故答案为：B．

点评 本题考查化学平衡的影响因素、热化学方程式、盐类水解等，培养了学生分析问题解决问题的能力，需要学生具备扎实的基础，注意含弱根离子的盐类水解（弱酸弱碱盐除外）都是较微弱的，盐类在水中以电离为主，题目难度中等．