Question

火力發電廠釋放出大量的氮氧化物（NO_x）、二氧化硫和二氧化碳等氣體會造成環境污染．對燃煤廢氣進行脫硝、脫硫和脫碳等處理，可實現綠色環保、節能減排、廢物利用等目的．

（1）脫硝．利用甲烷催化還原NO_x：CH₄（g）+4NO₂（g）=4NO（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₁=-574kJ?mol^-1 CH₄（g）+4NO（g）=2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₂=-1160kJ?mol^-1甲烷直接將NO₂還原為N₂的熱化學方程式為

CH₄（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-867kJ?mol^-1

．
（2）脫碳．將CO₂轉化為甲醇的熱化學方程式為：CO₂（g）+3H₂（g）  CH₃OH（g）+H₂O（g）△H₃
①取五份等體積CO₂和H₂的混合氣體（物質的量之比均為1：3），分別加入溫度不同、容積相同的恒容密閉容器中，發生上述反應，反應相同時間后，測得甲醇的體積分數φ（CH₃OH） 與反應溫度T的關系曲線（見圖1），則上述CO₂轉化為甲醇反應的△H₃

＜

0（填“＞”、“＜”或“=”）．
②在一恒溫恒容密閉容器中充入1mol CO₂和3mol H₂，進行上述反應．測得CO₂和CH₃OH（g）的濃度隨時間變化如圖2所示．下列說法正確的是

B

（填字母代號）．
A．第10min后，向該容器中再充入1mol CO₂和3mol H₂，則再次達到平衡時c（CH₃OH）=1.5mol/L
B．達到平衡時，氫氣的轉化率為0.75
C．0～10分鐘內，氫氣的平均反應速率為0.075mol/（L?min）
D．該溫度下，反應的平衡常數的值為3/16
E．升高溫度將使n（CH₃OH）/n（CO₂）增大
③直接甲醇燃料電池結構如圖3所示．其工作時負極電極反應式可表示為

2CH₃OH+2H₂O-12e^-═12H⁺+2CO₂

．
（3）脫硫．某種脫硫工藝中將廢氣經處理后，與一定量的氨氣、空氣反應，生成硫酸銨和硝酸銨的混合物作為副產品化肥．設煙氣中的SO₂、NO₂的物質的量之比為1：1，則該反應的化學方程式為

12NH₃+3O₂+4SO₂+4NO₂+6H₂O=4（NH₄）₂SO₄+4NH₄NO₃

．

Answer 1

分析：（1）（1）根據蓋斯定律，利用已知化學反應方程式乘以某個系數相加或相減，構造出目標化學反應方程式，該化學反應的焓變即為已知化學反應方程式的焓變乘以某個系數相加或相減得到．
（2）①由圖可知，到達平衡后，溫度越高，φ（CH₃OH）越小，平衡向逆反應進行；
②利用三段式求出反應混合物的濃度變化量、平衡時各組分的濃度．
A、再充入1mol CO₂和3mol H₂，可等效為開始體積變為原來的2倍，加入2mol CO₂和6mol H₂，平衡后，再將體積壓縮為原來的體積，增大壓強平衡向體積減小的方向移動，即向正反應移動，反應物的轉化率增大；
B、根據轉化率的定義計算判斷；
C、利用v=

△n

△t

計算v（H₂）判斷；
D、該溫度下該反應的K=

c(CH3OH)?c(H2O)

c(CO2)?[c(H2)]3

，代入數據計算；
E、該反應為放熱反應，升高溫度平衡向逆反應進行，n（CH₃OH）減小，n（CO₂）增大．
③本質為 2 CH₃OH+3O₂=2CO₂+4H₂O，CH₃OH 失電子發生氧化反應，氧氣得電子發生還原反應；原電池中負極上發生氧化反應，正極上發生還原反應，所以CH₃OH 在負極上發生反應，氧氣在正極上發生反應；正極上氧氣得電子和氫離子反應生成水；負極上CH₃OH 失電子和水反應生成氫離子和二氧化碳．
（3）根據氧化還原反應配平書寫化學反應方程式．

解答：解：（1）已知：CH₄（g）+4NO₂（g）=4NO（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₁=-574kJ?mol^-1
CH₄（g）+4NO（g）=2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₂=-1160kJ?mol^-1
不管化學反應是一步完成還是分幾步完成，其反應熱是相同的．兩式相加，可得
2CH₄（g）+4NO₂（g）=2N₂（g）+2CO₂（g）+4H₂O（g）△H=-1734 kJ/mol  
即CH₄（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-867 kJ?mol^-1
故答案為：CH₄（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-867 kJ?mol^-1
（2）①由圖可知最高點反應到達平衡，達平衡后，溫度越高，φ（CH₃OH）越小，平衡向逆反應進行，升高溫度平衡吸熱方向進行，逆反應為吸熱反應，則正反應為放熱反應，即△H₃＜0．
故答案為：＜
②由圖2可知，開始二氧化碳的濃度為1.0mol/L，開始容器中充入1mol CO₂和3mol H₂，所以開始氫氣的濃度為3.0mol/L，容器體積為

1.0mol

1.0mol/L

=1L．
平衡時，甲醇的濃度為0.75mol/L
               CO₂（g）+3H₂（g） 

一定條件

 CH₃OH（g）+H₂O（g）
開始（mol/L）：1        3                    0        0
變化（mol/L）：0.75     2.25                0.75     0.75
平衡（mol/L）：0.25     0.75                0.75     0.75
A、通過上述計算可知二氧化碳的轉化率為

0.75mol/L

1.0mol/L

×100%=75%，再充入1mol CO₂和3mol H₂，可等效為開始體積變為原來的2倍，加入2mol CO₂和6mol H₂，平衡后，再將體積壓縮為原來的體積，增大壓強平衡向體積減小的方向移動，即向正反應移動，反應物的轉化率增大，所以再次達到平衡時c（CH₃OH）＞1.5mol/L，故A錯誤；
B、通過上述計算可知氫氣的轉化率為

2.25mol/L

3mol/L

×100%=75%，故B正確；
C、10分鐘內，氫氣的平均反應速率為v（H₂）=

2.25mol/L

10min

=0.225mol/（L?min），故C錯誤；
D、該溫度下該反應的K=

c(CH3OH)?c(H2O)

c(CO2)?[c(H2)]3

=

0.75×0.75

0.25×(0.75)3

=

16

3

，故D錯誤；
E、該反應為放熱反應，升高溫度平衡向逆反應進行，n（CH₃OH）減小，n（CO₂）增大，所以n（CH₃OH）/n（CO₂）值減小，故E錯誤．
故選：B
③總反應式為2 CH₃OH+3O₂=2CO₂+4H₂O，
正極反應式：3O₂+12H⁺+12e^-═6H₂O；
總反應式減去正極反應式即為負極反應式，
所以負極反應式為：2CH₃OH+2H₂O-12e^-═12H⁺+2CO₂；
故答案為：2CH₃OH+2H₂O-12e^-═12H⁺+2CO₂
（3）反應方程式為12NH₃+3O₂+4SO₂+4NO₂+6H₂O=4（NH₄）₂SO₄+4NH₄NO₃
故答案為：12NH₃+3O₂+4SO₂+4NO₂+6H₂O=4（NH₄）₂SO₄+4NH₄NO₃

點評：本題從多個角度對化石燃料進行了全面的考查，難度中等，培養了學生分析問題解決問題的能力．