Question

8．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造成环境污染和温室效应．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^-1
CH₄（g）+4NO（g）=2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₂=-1160kJ•mol^-1
甲烷直接将NO₂还原为N₂的热化学方程式为CH₄（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（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，则上述反应的△H₃＜0（填“＞”、“＜”或“=”）．
②在一恒温恒容密闭容器中充入1molCO₂和3molH₂，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^-1•min^-1；该温度下，反应的平衡常数的值为$\frac{16}{3}$（结果保留一位小数）；第10min后，向该容器中再充入1molCO₂和3molH₂，则再次达到平衡时CH₃OH（g）的体积分数变大（填“变大”、“减少”、“不变”）．
（3）脱硫．
①某种脱硫工艺中将废弃经处理后，与一定量的氨气、空气反应，生成硫酸铵和硝酸铵的混合物作为副产品化肥．在一定物质的量浓度的硝酸铵溶液中滴加适量的NaOH溶液．使溶液的pH=7，则溶液中：c（Na⁺）+c（H⁺）＜c（NO₃^-）+c（OH^-）（填“＞”、“＜”“=”）．
②如图3电解装置可将雾霾中的NO、SO₂分别转化为NH₄⁺和SO₄^2-．物质A的化学式为H₂SO₄，阴极的电极反应式是NO+5e^-+6H⁺=NH₄⁺+H₂O．

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；
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），所以氢气的反应速率是3×0.075mol/（L•min）=0.225mol/（L•min），
         CO₂（g）+3H₂（g）═CH₃OH（g）+H₂O（g）
初始浓度：1       3          0         0
变化浓度：0.75     2.25     0.75      0.75
平衡浓度：0.25     0.75     0.75       0.75
平衡常数K=$\frac{生成物平衡浓度幂次方乘积}{反应物平衡浓度幂次方乘积}$；并根据压强对化学平衡移动的影响知识来回答；
（3）①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；
②电解装罝可将雾霾中的NO、SO₂分别转化为NH₄⁺和SO₄^2-，则电解方程式为5SO₂+2NO+8H₂O$\frac{\underline{\;电解\;}}{\;}$（NH₄）₂SO₄+4H₂SO₄，根据电解方程式结合电解原理分析

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，
故答案为：＜；
 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），
         CO₂（g）+3H₂（g）═CH₃OH（g）+H₂O（g）
初始浓度：1       3          0         0
变化浓度：0.75     2.25     0.75      0.75
平衡浓度：0.25     0.75     0.75       0.75
所以平衡常数K=$\frac{0.7{5}^{2}}{0.25×0.7{5}^{3}}$=$\frac{16}{3}$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；$\frac{16}{3}$；变大；
（3）①硝酸铵溶液中滴加适量的NaOH溶液，使溶液的pH=7，溶液中存在电荷守恒：c（Na⁺）+c（H⁺）+c（NH₄⁺）=c（NO₃^-）+c（OH^-），则c（Na⁺）+c（H⁺）＜c（NO₃^-）+c（OH^-），
故答案为：＜；
②电解装罝可将雾霾中的NO、SO₂分别转化为NH₄⁺和SO₄^2-，则电解方程式为5SO₂+2NO+8H₂O$\frac{\underline{\;电解\;}}{\;}$（NH₄）₂SO₄+4H₂SO₄，由电解方程式可知，物质A为硫酸，其的化学式H₂SO₄； 电解时，阳极上二氧化硫失电子生成硫酸根离子，则阳极的电极反应式是SO₂+2H₂O-2 e^-═SO₄^2-+4H⁺，阴极反应式为：NO+5e^-+6H⁺=NH₄⁺+H₂O，
故答案为：H₂SO₄；NO+5e^-+6H⁺=NH₄⁺+H₂O．

点评 本题考查较为综合，涉及化学平衡计算、反应热与焓变、电解原理、化学平衡的影响等知识，题目难度较大，明确化学平衡及其影响为解答关键，注意掌握盖斯定律的内容及应用方法．