Question

11．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對環境造成嚴重影響?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
CH₄（g）+4NO（g）=2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₂=-1160kJ/mol則甲烷直接將NO₂還原為N₂的熱化學方程式為CH₄（g）+2NO₂（g）═N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-867 kJ/mol?
（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1所示，則上述CO₂轉化為甲醇的反應熱△H₃＜0（填“＞”?“＜”或“=”），該反應的平衡常數表達式為$\frac{C（C{H}_{3}OH）×C（{H}_{2}O）}{C（C{O}_{2}）{C}^{3}（{H}_{2}）}$?
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，試回答：
0～10min內，氫氣的平均反應速率為0.225mol/（L•min）?第10min后，若向該容器中再充入1mol CO₂和3mol H₂，則再次達到平衡時CH₃OH（g）的體積分數變大 （填“變大”?“減少”或“不變”）?
（3）脫硫?
①有學者想利用如圖3所示裝置用原電池原理將SO₂轉化為重要的化工原料．A?B是惰性電極，A極的電極反應式為：SO₂-2e^-+2H₂O=SO₄^2-+4H⁺．
②某種脫硫工藝中將廢氣處理后，與一定量的氨氣?空氣反應，生成硫酸銨和硝酸銨的混合物，可作為化肥?常溫下，向一定物質的量濃度的硝酸銨溶液中滴加適量的氨水溶液，使溶液中的NO₃^-和NH₄⁺的物質的量濃度相等，則溶液的pH=7（填寫“＞”“=”或“＜”）?

Answer 1

分析 （1）依據熱化學方程式和蓋斯定律計算得到；
（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；化學平衡常數為生成物濃度系數次冪的乘積與反應物濃度系數次冪乘積的比值；
②先根據圖表，利用v=$\frac{△c}{△t}$計算v（CO₂），再利用各物質的反應速率之比等于計量數之比，確定v（H₂）；到達平衡后，溫度越高，φ（CH₃OH）越小，平衡向逆反應進行；
（3）①SO₂與O₂反應生成SO₃，SO₃再與水化合生成硫酸，根據硫酸的出口判斷正負極，負極發生氧化反應，正極發生還原反應；
②硝酸銨溶液中滴加適量的NaOH溶液溶液的pH=7，則氫離子和氫氧根離子濃度相等，根據電荷守恒來計算．

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
由蓋斯定律（①+②）×$\frac{1}{2}$得到CH₄（g）+2NO₂（g）═N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-867 kJ/mol，
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，化學平衡常數為生成物濃度系數次冪的乘積與反應物濃度系數次冪乘積的比值，則化學平衡常數為K=$\frac{C（C{H}_{3}OH）×C（{H}_{2}O）}{C（C{O}_{2}）{C}^{3}（{H}_{2}）}$，
故答案為：＜；$\frac{C（C{H}_{3}OH）×C（{H}_{2}O）}{C（C{O}_{2}）{C}^{3}（{H}_{2}）}$；
②由圖可知，10min時，反應已經達平衡，△c（CO₂）=1.00mol/L-0.25mol/L=0.75mol/L，所以10min內，v（CO₂）=$\frac{0.75mol/L}{10min}$=0.075mol/（L•min），反應速率之比等于計量數之比，故v（H₂）=3v（CO₂）=3×0.075mol/（L•min）=0.225mol/（L•min），第10min后，向該容器中再充入1mol CO₂和3mol H₂，等效為增大壓強，平衡向正反應移動，CH₃OH（g）的體積分數增大，
故答案為：0.225；變大；
（3）①該原電池中，負極上失電子被氧化，所以負極上投放的氣體是二氧化硫，二氧化硫失電子和水反應生成硫酸根離子和氫離子，則A為負極，A電極發生的反應為：SO₂-2e^-+2 H₂O=4H⁺+SO₄^2-，
故答案為：SO₂-2e^-+2H₂O=4H⁺+SO₄^2-；
②常溫下，向一定物質的量濃度的硝酸銨溶液中滴加適量的氨水溶液，使溶液中的NO₃^-和NH₄⁺的物質的量濃度相等，溶液中電荷守恒c（H⁺）+c（NH₄⁺）=c（NO₃^-）+c（OH^-），c（H⁺）=c（OH^-），溶液的pH=7，
故答案為：=．

點評 本題考查較為全面，涉及熱化學方程式的計算、化學平衡常數表達式的書寫、電化學知識等知識，為高考高頻考點，掌握反應熱計算的方法、電化學原理尤為重要，題目難度中等．