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______．
（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的關系曲線如圖所示，則φ（CH3OH）T上述CO₂轉化為甲醇的反應的△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下圖所示．下列說法正確的是______（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^-1
B．0～10min內，氫氣的平均反應速率為0.075mol/
C．達到平衡時，氫氣的轉化率為0.75
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）減小
③甲醇燃料電池結構如下圖所示．其工作時正極的電極反應式可表示為______．

多孔碳電極
（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______．
（4）硫酸銨和硝酸銨的水溶液的pH＜7，其中原因可用一個離子方程式表示為：______；在一定物質的量濃度的硝酸銨溶液中滴加適量的NaOH溶液，使溶液的pH=7，則溶液中c（Na⁺）+c（H⁺）______c（NO₃^-）+c（OH^-）（填寫“＞”“=”或“＜”）

Answer 1

【答案】分析：（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．利用v=計算v（H₂）判斷；
C．根據轉化率的定義計算判斷；
D．該溫度下該反應的K=，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2CH₃OH+3O₂=2CO₂+4H₂O，CH₃OH 失電子發生氧化反應，氧氣得電子發生還原反應；正極上氧氣得電子和氫離子反應生成水；
（3）根據反應物和生成物結合守恒的方法書寫化學方程式；
（4）銨根離子水解呈酸性，從溶液電中性的角度分析．
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．利用蓋斯定律將兩式相加，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；
（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=1L．
平衡時，甲醇的濃度為0.75mol/L
               CO₂（g）+3H₂（g）  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×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、10分鐘內，氫氣的平均反應速率為v（H₂）==0.225mol/（L?min），故B錯誤；
C、通過上述計算可知氫氣的轉化率為×100%=75%，故C正確；
D、該溫度下該反應的K===，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正確．
故答案為：CE；
③正極發生還原反應，氧氣得電子和氫離子反應生成水，電極反應式為O₂+4e^-+4H⁺=2H₂O，故答案為：O₂+4e^-+4H⁺=2H₂O；
（3）煙氣中的SO₂、NO₂的物質的量之比為1：1，一定量的氨氣、空氣反應，生成硫酸銨和硝酸銨的混合物作為副產品化肥．則有12NH₃+3O₂+4SO₂+4NO₂+6H₂O=4（NH₄）₂SO₄+4NH₄NO₃，
故答案為：12NH₃+3O₂+4SO₂+4NO₂+6H₂O=4（NH₄）₂SO₄+4NH₄NO₃；
（4）硫酸銨和硝酸銨都為強酸弱堿鹽，溶液中發生：NH₄⁺+H₂O NH₃?H₂O+H⁺，所以溶液呈酸性，
在一定物質的量濃度的硝酸銨溶液中滴加適量的NaOH溶液，反應后溶液呈中性，溶液中存在：
c（Na⁺）+c（H⁺）+c（NH₄⁺）=c（NO₃^-）+c（OH^-），則有c（Na⁺）+c（H⁺）＜c（NO₃^-）+c（OH^-），
故答案為：NH₄⁺+H₂O NH₃?H₂O+H⁺；＜．
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，答題時注意電極反應式的書寫方法，注意把握從守恒的角度書寫化學方程式以及處理溶液離子濃度問題．