题目内容

12.火力发电厂释放出大量氮氧化合物(NOx)、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NOx:
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-1.
(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1mol CO2和3mol 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:0~10min内,氢气的平均反应速率为0.225mol/(L•min);第10min后,保持温度不变,向该密闭容器中再充入1mol CO2(g)和1mol H2O(g),则平衡正向(填“正向”、“逆向”或“不”)移动.
②如图2,25℃时以甲醇燃料电池(电解质溶液为稀硫酸)为电源来电解300mL 某NaCl溶液,正极反应式为O2+4e-+4H+=2H2O.在电解一段时间后,NaCl溶液的pH值变为13(假设NaCl溶液的体积不变),则理论上消耗甲醇的物质的量为0.005mol.
③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3所示,则上述CO2转化为甲醇的反应的△H3<0(填“>”、“<”或“=”).
(3)脱硫.燃煤废气经脱硝、脱碳后,与一定量氨气、空气反应,生成硫酸铵.硫酸铵水溶液呈酸性的原因是NH4++H2O?NH3•H2O+H+(用离子方程式表示);室温时,向(NH4)2SO4,溶液中滴人NaOH溶液至溶液呈中性,则所得溶液中微粒浓度大小关系c(Na+)=c(NH3•H2O).(填“>”、“<”或“=”)

分析 (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
依据热化学方程式和盖斯定律计算,盖斯定律(①+②)×$\frac{1}{2}$得到甲烷直接将NO2还原为N2的热化学方程式;
(2)①根据图象计算甲醇的浓度变化值,再根据v(CH3OH)=$\frac{△c}{t}$,然后结合计量数关系计算氢气的浓度;先根据平衡浓度计算平衡常数K,然后根据K与Qc的关系判断反应方向;
②正极上发生还原反应,氧气在正极获得电子,酸性条件下生成水,电解NaCl溶液发生反应:2NaCl+2H2O$\frac{\underline{\;通电\;}}{\;}$2NaOH+H2↑+Cl2↑,在电解一段时间后,NaCl溶液的pH变为13,则NaOH浓度为0.1mol/L,故生成NaOH为0.3L×0.1mol/L=0.03mol,燃料电池中甲醇氧化生成二氧化碳,根据电子转移守恒计算理论上消耗甲醇的物质的量;
③温度对平衡移动方向的影响判断反应的热量变化;由图可知最高点反应到达平衡,到达平衡后,温度越高,φ(CH3OH)越小,升高温度平衡向逆反应进行,据此判断;
(3)(NH4)2SO4为强酸弱碱盐,水解显酸性.滴人NaOH溶液至溶液呈中性,根据物料守恒和电荷守恒列式即得出Na+和NH3•H2O浓度的关系.

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=-867kJ•mol-1,
故答案为:CH4(g)+2NO2(g)═N2(g)+CO2(g)+2H2O(g)△H=-867kJ•mol-1;
(2)①根据图象可知甲醇的浓度变化值为0.75mol/L,则v(CH3OH)=$\frac{△c}{t}$=$\frac{0.75mol/L}{10min}$=0.075mol/(L•min),而v(H2)=3v(CH3OH)=0.075mol/(L•min)×3=0.225mol•L-1•mm-1,
                               CO2(g)+3H2(g)?CH3OH(g)+H2O(g)
起始浓度(mol/L):1             3                   0                   0
转化浓度(mol/L):0.75        2.25               0.75            0.75
平衡浓度(mol/L):0.25         0.75               0.75            0.75
平衡常数K=$\frac{c(C{H}_{3}OH)•c({H}_{2}O)}{c(C{O}_{2})•{c}^{3}({H}_{2})}$=$\frac{0.75×0.75}{0.25×0.7{5}^{3}}$=$\frac{16}{3}$,
第10min后,保持温度不变,向该密闭容器中再充入1mol CO2(g)和1mol H2O(g),则Qc=$\frac{0.75×1.75}{1.25×0.7{5}^{3}}$=2.49<K,反应未到达平衡状态,所以向正方向移动;
故答案为:0.225;正向;
②正极上发生还原反应,氧气在正极获得电子,酸性条件下生成水,电极反应式为:O2+4 H++4 e-=2 H2O,
电解NaCl溶液发生反应:2NaCl+2H2O$\frac{\underline{\;通电\;}}{\;}$2NaOH+H2↑+Cl2↑,在电解一段时间后,NaCl溶液的pH变为13,则NaOH浓度为0.1mol/L,故生成NaOH为0.3L×0.1mol/L=0.03mol,则生成氯气为0.015mol,燃料电池中甲醇氧化生成二氧化碳,根据电子转移守恒,理论上消耗甲醇的物质的量为$\frac{0.015mol×2}{6}$=0.005mol;
故答案为:O2+4H++4e-=2 H2O;0.005mol;
③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△H<0;
故答案为:<;
(3)(NH4)2SO4为强酸弱碱盐,NH4+水解显酸性:NH4++H2O?NH3•H2O+H+
向(NH4)2SO4,溶液中滴人NaOH溶液至溶液呈中性,根据电荷守恒可得:C(NH4+)+C(Na+)+C(H+)=C(OH-)+2C(SO42-) ①
根据物料守恒列式可得:C(NH4+)+C(NH4•H2O)=2C(SO42-) ②
将①②联立即得:C(Na+)=C(NH4•H2O),
故答案为:NH4++H2O?NH3•H2O+H+;=.

点评 本题考查了热化学方程式的书写、平衡的移动以及平衡常数的计算、原电池和电解池等内容,综合性较强,难度较大,注意把握平衡常数的有关计算以及通过Qc与k的判断平衡移动的方向,题目侧重于考查学生的分析能力、计算能力和综合应用能力.

练习册系列答案
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7.硫及其化合物有广泛应用.
(1)硫酸生产过程中涉及以下反应.已知25℃、l0l kPa时:
①2SO2(g)+O2(g)+2H2O(l)═2H2SO4(l)△H=-457kJ/mol
②SO3(g)+H2O(l)═H2SO4(l)△H=-130kJ/mol
则SO2催化氧化反应中,每生成2mol SO3(g)的△H=-197kJ•mol-1.
(2)对于SO2催化氧化反应:2SO2(g)+O2(g)?2SO3(g).
①甲图是SO2催化氧化反应时SO2(g)和SO3(g)的浓度随时间的变化情况.反应从开始到达到平衡时,用O2表示的平均反应速率为0.0375mol/(L.min).

②在一容积可变的密闭容器中充入20mol SO2(g)和l0mol O2(g),O2的平衡转化率随温度(T)、压强(P)的变化如乙图所示.则P1与P2的大小关系是P1< P2(填>、=或<);A、B、C三点的平衡常数大小关系是KA=KB>KC(用KA、KB、KC和>、=、<表示).
(3)工业生成硫酸过程中,通常用氨水吸收尾气.
①如果相同物质的量的SO2与NH3溶于水,发生反应的离子方程式为SO2+NH3+H2O=NH4++HSO3-,得溶液中c(H+)-c(OH-)=CD(填序号).
A.c(SO32-)-c(H2SO3)                  B.c(HSO3-)+c(SO32-)-c(NH4+)
C.c(HSO3-)+2c(SO32-)-c(NH4+)          D.c(SO32-)+c(NH3H2O)-c(H2SO3)
②工业上用足量氨水吸收硫酸工业废气.吸收SO2后的碱性溶液还可用于Cl2的尾气处理,吸收Cl2后的溶液仍呈强碱性,则吸收Cl2后的溶液中一定存在的阴离子有OH-和SO42-、Cl-.
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A.使用容量瓶前检验是否漏水
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E.盖好瓶塞,用食指顶住瓶塞,另一只手托住瓶底,把容量瓶反复倒转多次,摇匀.
(3)根据计算用托盘天平称量NaOH固体2.0g.称量NaOH固体需注意选择用小烧杯盛装NaOH固体.在实验中其他操作均正确,若定容时仰视刻度线,则所得溶液浓度小于0.1mol/L(填“大于”、“小于”或“等于”).
(4)根据计算得知,需用量筒量取质量分数为98%、密度为1.84g/cm3的浓硫酸的体积为13.6mL,如果实验室有15mL、20mL、50mL量筒,应选用15mL量筒最好.
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