Question

20．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）=CO₂（g）+2H₂O（g）+N₂（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．则电子流出的电极为A（用A或B表示），A极的电极反应式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．硫酸铵和硝酸铵的水溶液pH＜7，其原因用离子方程式表示为NH₄⁺+H₂O?NH₃．H₂O+H⁺；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）根据盖斯定律和热化学方程式的意义和书写方法，（①+②）×$\frac{1}{2}$得到热化学方程式；
（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，平衡常数等于生成物平衡浓度幂次方乘积除以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，原电池放电时，电子由负极流向正极；
②溶液中铵根离子水解显示酸性，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）△H₁=-574kJ•mol^-1
②CH₄（g）+4NO（g）=2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₂=-1160kJ•mol^-1
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△H＜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-；原电池放电时，电流由正极流向负极，电子带负电荷，流动方向与电流方向相反，即电子流向由A流向C，
故答案为：A；SO₂-2e^-+2H₂O=4H⁺+SO₄^2-；
②硫酸铵和硝酸铵的水溶液的pH＜7，其原因是溶液中铵根离子水解显示酸性，即NH₄⁺+H₂O?NH₃•H₂O+H⁺，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：NH₄⁺+H₂O?NH₃•H₂O+H⁺；=．

点评 本题涉及化学反应中的能量变化以及化学平衡知识的综合计算知识，原电池原理分析，电解质溶液中电荷守恒的应用，化学反应速率、平衡常数计算分析，属于综合知识的考查，难度中等．