Question

（15分）火力發電廠釋放出大量氮氧化物（NO_x）、SO₂和CO₂等氣體會造成環境問題。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＝－574 kJ·mol^－1
CH₄(g) ＋ 4NO(g) ＝2N₂(g) ＋ CO₂(g) ＋ 2H₂O(g)  △H₂＝－1160 kJ·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：CO₂(g)＋3H₂(g) CH₃OH(g)＋H₂O(g)   △H₃
       
①在一恒溫恒容密閉容器中充入1 mol CO₂和3 mol H₂進行上述反應。測得CO₂和CH₃OH(g)濃度隨時間變化如圖1所示。回答：0~10 min內，氫氣的平均反應速率為    mol/(L·min)；第10 min后，保持溫度不變，向該密閉容器中再充入1 mol CO₂(g)和1 mol H₂O(g)，則平衡        （填“正向”、“逆向”或“不”）移動。
②取五份等體積的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2所示，則上述CO₂轉化為甲醇的反應的△H₃    0（填“＞”、“＜”或“＝”）。
（3）脫硫。利用Na₂SO₃溶液可脫除煙氣中的SO₂。Na₂SO₃可由NaOH溶液吸收SO₂制得。NaOH溶液吸收SO₂的過程中，pH隨n(SO₃^2-)︰n(HSO₃^﹣)變化關系如下表：

n(SO32﹣)︰n(HSO3﹣)	91︰9	1︰1	9︰91
pH	8.2	7.2	6.2

① 由上表判斷，NaHSO₃溶液顯　　　性，用化學平衡原理解釋：　　　　　　　　　　  　　。
② 當溶液呈中性時，離子濃度關系正確的是（選填字母）：　　　　。
a．c(Na⁺)=2c(SO₃^2-)+c(HSO₃^-)
b．c(Na⁺) > c(HSO₃^-) > c(SO₃^2-) > c(H⁺) = c(OH^-)
c．c(Na⁺) + c(H⁺) = c(SO₃^2-) + c(HSO₃^-) + c(OH^-)

Answer 1

(15分)
（1）CH₄（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-867 kJ?mol^-1（3分）
（2）①0.225 （2分）；正向（2分）
②＜（2分）
（3）①酸（2分）溶液中存在：HSO₃^- SO₃^2-＋ H⁺ HSO₃^-＋H₂O H₂SO₃＋OH^-電離程度大于水解程度，故溶液顯酸性（2分）
②ab（2分）

試題分析：（1）首先寫出CH₄將NO₂還原為N₂的化學方程式并注明狀態，然后根據蓋斯定律求出焓變，第1步反應根據NO₂，第2步反應根據N₂可得：?H=1/2?H₁+1/2?H₂=-867 kJ?mol^-1，進而寫出熱化學方程式。
（2）①0~10 min內，氫氣的平均反應速率v（H₂）=3v（CH₃OH）="3×0.75mol/L÷10min=0.225" mol/（L·min）；
根據三段式求算各物質平衡濃度：CO₂（g）＋3H₂（g）CH₃OH（g）＋H₂O（g）
初始濃度（mol?L?¹）           1.00       3             0           0
轉化濃度（mol?L?¹）           0.75       2.25           0.75         0.75     
平衡濃度（mol?L?¹）           0.25       0.75          0.75         0.75
平衡常數K=0.75×0.75÷（0.25×0.75³）=5.33，向該密閉容器中再充入1 mol CO₂(g)和1 mol H₂O(g)，濃度商Q=0.75×1.75÷（1.25×0.75³）="2.49" < K，則平衡正向移動。
②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。
（3）①由表格中的數據可知，HSO₃^-越多，酸性越強，所以NaHSO₃溶液顯酸性；HSO₃?電離生成氫離子，電離方程式為HSO₃^-?H⁺+SO₃^2-，同時HSO₃?還能水解，HSO₃^-＋H₂O H₂SO₃＋OH^-，溶液顯酸性是因其電離大于其水解。
②當溶液呈中性時，溶質為亞硫酸鈉和亞硫酸氫鈉，電離與水解的程度相等，a．由電荷守恒可知，c（H⁺）+c（Na⁺）═2c（SO₃^2-）+c（HSO₃^-）+c（OH^-），中性溶液則c（H⁺）═c（OH^-），則c（Na⁺）═2c（SO₃^2-）+c（HSO₃^-），正確；b．SO₃^2-+H₂O?HSO₃^-+OH^-，HSO₃^-?H⁺+SO₃^2-，亞硫酸兩步水解，則離子濃度為c（Na⁺）＞c（HSO₃^-）＞c（SO₃^2-）＞c（H⁺）=c（OH^-），正確；c．根據電荷守恒可得：c（Na⁺）+c（H⁺）═2c（SO₃^2-）+c（HSO₃^-）+c（OH^-），錯誤。