Question

火力发电厂产生大量的氮氧化物（NO_x）、二氧化硫和二氧化碳等气体会造成环境污染．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______．
（2）脱碳．将CO₂转化为甲醇的化学方程式为：
CO₂+3H₂CH₃OH（g）+H₂O（g）
①取五份等体积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，tmin后，测得甲醇的体积分数φ（CH₃OH） 与反应温度T的关系曲线如图所示，则上述合成甲醇的反应的逆反应为______反应（填“放热”或“吸热”）．
②在一恒温恒容密闭容器中充入1mol CO₂和3mol H₂，进行上述反应．测得CO₂和CH₃OH（g）的浓度随时间变化如图所示．下列说法正确的是______
A．10min后，向该容器中再充入1mol CO₂和3mol H₂，则再次达到平衡时c（CH₃OH）=1.5mol?L^-1
B．0～10min内，氢气的平均反应速率为0.075mol?L^-1?min^-1
C．达到平衡时，氢气的转化率为75%
D．该温度下，反应的平衡常数的值为3/16
E．升高温度将使n（CH₃OH）/n（CO₂）减小
③能说明CO₂（g）+3H₂（g）CH₃OH（g）+H₂O（g）达到平衡状态的是______
A．生成甲醇的速率与生成水的速率相等
B．v（H₂）=3v（CH₃OH）
C．恒容容器中，体系的压强不再改变
D．恒容容器中，混合气体密度不再发生改变
④右图表示反应CO₂（g）+3H₂（g）CH₃OH（g）+H₂O（g）进行过程中能量的变化．在体积为1L的恒容密闭容器中，充入1mol CO₂和3mol H₂，达到平衡后，采取下列措施中能使c（CH₃OH）增大的是______．
A．使用新高效催化剂              B．充入He（g），使体系压强增大
C．将H₂O（g）从体系中分离出来   D．再充入1mol CO₂和3mol H₂
⑤甲醇燃料电池结构如图所示，其工作时正极的电极反应式可表示为______．
（3）脱硫．某种脱硫工艺中将废气经处理后，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．  
硫酸铵溶液的pH＜7，其原因为：______（用离子方程式表示）；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（NO₃^-）（选填“大于”、“等于”或“小于”）

Answer 1

【答案】分析：（1）根据已知反应和目标反应及盖斯定律来计算反应热，并书写热化学反应方程式；
（2）①由图可知，最高点以后随温度的升高，甲醇的体积分数减小，则正反应为放热反应；
②根据化学平衡的三段法计算来分析；
③根据化学平衡的特征“等”与“定”来分析；
④能使c（CH₃OH）增大，则化学平衡应正向移动，以此来分析；
⑤甲醇燃料电池中，负极为甲醇，正极为氧气，正极发生还原反应；
（3）硫酸铵溶液的pH＜7，利用盐类水解来分析；硝酸铵溶液中滴加适量的NaOH溶液，使溶液的pH=7，利用电荷守恒来分析离子浓度的关系．
解答：解：（1）由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，
根据盖斯定律可知，可得CH₄（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g），
则△H==-867 kJ/mol，
即热化学反应方程式为CH₄（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-867 kJ/mol，
故答案为：CH₄（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-867 kJ/mol；
（2）①由图可知，最高点以后随温度的升高，甲醇的体积分数减小，则正反应为放热反应，则该反应的逆反应为吸热反应，
故答案为：吸热；      
②CO₂+3H₂CH₃OH（g）+H₂O（g）
开始 1   3            0       0
转化0.75 2.25        0.75     0.75
平衡 0.25 0.75        0.75    0.75
A．10min后，向该密闭容器中再充入1mol CO₂和3molH₂，化学平衡正向移动，则再次达到平衡时
c（CH₃OH）＞1.5mol?L^-1，故A错误；
B．0～10min内，氢气的平均反应速率为=0.225mol?L^-1?min^-1，故B错误；
C．达到平衡时，氢气的转化率为×100%=75%，故C正确；
D．该温度下，反应的平衡常数的值为=3，故D错误；
E．该反应为放热反应，升高温度化学平衡逆向移动，则将使n（CH₃OH）/n（CO₂）减小，故E正确；
故答案为：CE；       
③A．生成甲醇的速率与生成水的速率相等，只能说明正反应的关系，无法确定正逆反应速率的关系，故A错误；
B．由v（H₂）=3v（CH₃OH）可知，反应速率之比等于化学计量数之比，但无法确定是否达到平衡，故B错误；
C．该反应为反应前后体积不等的反应，则在恒容容器中，体系的压强不再改变，化学反应达到平衡，故C正确；
D．恒容容器中，混合气体密度不再发生改变，因质量与体积始终不变，则密度一直不变，不能作为判断平衡的方法，故D错误；
故答案为：C；   
④A．使用新高效催化剂，化学平衡不移动，则c（CH₃OH）不变，故A错误；              
B．充入He（g），使体系压强增大，但体积不变，反应体系中的浓度不变，化学平衡不移动，故B错误；
C．将H₂O（g）从体系中分离出来，能使化学平衡正向移动，使c（CH₃OH）增大，故C正确；
D．再充入1mol CO₂和3molH₂，压强增大，化学平衡正向移动，则c（CH₃OH）增大，故D正确；
故答案为：CD；    
⑤甲醇燃料电池中，正极为氧气，正极发生还原反应，则正极反应式为O₂+4e^-+4H⁺=2H₂O，故答案为：O₂+4e^-+4H⁺=2H₂O；
（3）由题意可知，硫酸铵溶液的pH＜7，硫酸铵为强酸弱碱盐，则铵根离子水解显酸性，水解离子反应为NH₄⁺+H₂O NH₃?H₂O+H⁺，
硝酸铵溶液中滴加适量的NaOH溶液，由电荷守恒可知，c（NH₄⁺）+c（Na⁺）+c（H⁺）=c（NO₃^-）+c（OH^-），而pH=7，则c（H⁺）=c（OH^-），
所以c（NH₄⁺）+c（Na⁺）=c（NO₃^-），即c（Na⁺）＜c（NO₃^-），故答案为：NH₄⁺+H₂O NH₃?H₂O+H⁺；小于．
点评：本题综合性强，难度较大，主要考查反应热、化学平衡、原电池、盐类水解等知识，注重对高考考点的考查，（2）为学生解答的难度和易错点．