Question

11．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$\frac{C（C{H}_{3}OH）×C（{H}_{2}O）}{C（C{O}_{2}）{C}^{3}（{H}_{2}）}$?
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，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）依据热化学方程式和盖斯定律计算得到；
（2）①由图可知，到达平衡后，温度越高，φ（CH₃OH）越小，平衡向逆反应进行；化学平衡常数为生成物浓度系数次幂的乘积与反应物浓度系数次幂乘积的比值；
②先根据图表，利用v=$\frac{△c}{△t}$计算v（CO₂），再利用各物质的反应速率之比等于计量数之比，确定v（H₂）；到达平衡后，温度越高，φ（CH₃OH）越小，平衡向逆反应进行；
（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）△H=-574kJ•mol^-1
②CH₄（g）+4NO（g）═2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-1160kJ•mol^-1
由盖斯定律（①+②）×$\frac{1}{2}$得到CH₄（g）+2NO₂（g）═N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-867 kJ/mol，
故答案为：CH₄（g）+2NO₂（g）═N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-867 kJ/mol；
（2）①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，化学平衡常数为生成物浓度系数次幂的乘积与反应物浓度系数次幂乘积的比值，则化学平衡常数为K=$\frac{C（C{H}_{3}OH）×C（{H}_{2}O）}{C（C{O}_{2}）{C}^{3}（{H}_{2}）}$，
故答案为：＜；$\frac{C（C{H}_{3}OH）×C（{H}_{2}O）}{C（C{O}_{2}）{C}^{3}（{H}_{2}）}$；
②由图可知，10min时，反应已经达平衡，△c（CO₂）=1.00mol/L-0.25mol/L=0.75mol/L，所以10min内，v（CO₂）=$\frac{0.75mol/L}{10min}$=0.075mol/（L•min），反应速率之比等于计量数之比，故v（H₂）=3v（CO₂）=3×0.075mol/（L•min）=0.225mol/（L•min），第10min后，向该容器中再充入1mol CO₂和3mol H₂，等效为增大压强，平衡向正反应移动，CH₃OH（g）的体积分数增大，
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^-+2H₂O=4H⁺+SO₄^2-；
②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：=．

点评 本题考查较为全面，涉及热化学方程式的计算、化学平衡常数表达式的书写、电化学知识等知识，为高考高频考点，掌握反应热计算的方法、电化学原理尤为重要，题目难度中等．