Question

13．火力發(fā)電廠釋放出大量氮氧化物（NO_x）、SO₂和CO₂等氣體會造成環(huán)境問題．對燃煤廢氣進行脫硝、脫硫和脫碳等處理，可實現(xiàn)綠色環(huán)保、節(jié)能減排、廢物利用等目的．
（1）脫硝．利用甲烷催化還原NOx：
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CH₄（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-867 kJ/mol．
（2）脫碳．將CO₂轉(zhuǎn)化為甲醇：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）

①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）濃度隨時間變化如圖1所示．回答：0～10min 內(nèi)，氫氣的平均反應速率為0.225mol/（L•min）；第10min 后，保持溫度不變，向該密閉容器中再充入1mol CO₂（g）和1mol H₂O（g），則平衡正向（填“正向”、“逆向”或“不”）移動．
②如圖2，25℃時以甲醇燃料電池（電解質(zhì)溶液為稀硫酸）為電源來電解300mL某NaCl溶液，正極反應式為O₂+4e^-+4H⁺=2H₂O．在電解一段時間后，NaCl溶液的pH值變?yōu)?3（假設NaCl 溶液的體積不變），則理論上消耗甲醇的物質(zhì)的量為0.005mol．
③取五份等體積的CO₂和H₂的混合氣體（物質(zhì)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(fā)生上述反應，反應相同時間后，測得甲醇的體積分數(shù)φ（CH₃OH）與反應溫度T的關系曲線如圖3所示，則上述CO₂轉(zhuǎn)化為甲醇的反應的△H₃＜0（填“＞”、“＜”或“=”）．
（3）脫硫．燃煤廢氣經(jīng)脫硝、脫碳后，與一定量氨氣、空氣反應，生成硫酸銨．硫酸銨水溶液呈酸性的原因是NH₄⁺+H₂O NH₃•H₂O+H⁺（用離子方程式表示）；室溫時，向（NH₄）₂SO₄，溶液中滴人NaOH 溶液至溶液呈中性，則所得溶液中微粒濃度大小關系c（Na⁺）=c（NH₃•H₂O）．（填“＞”、“＜”或“=”）

Answer 1

分析 （1）根據(jù)蓋斯定律，利用已知化學反應方程式乘以某個系數(shù)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(shù)相加或相減得到．
（2）①先根據(jù)圖表，利用v=$\frac{△c}{△t}$計算v（CO₂），再利用各物質(zhì)的反應速率之比等于計量數(shù)之比，確定v（H₂）；該溫度下該反應的K=$\frac{c（CH{\;}_{3}OH）c（H{\;}_{2}O）}{c（CO{\;}_{2}）c{\;}^{3}（H{\;}_{2}）}$，并據(jù)此判斷；
②在甲醇燃料電池中，在正極放點的為氧氣，結合酸性的電解質(zhì)溶液，即寫出正極反應；NaCl溶液的pH值變?yōu)?3，即可求出電解池中放電的H⁺的物質(zhì)的量為0.03mol，即電解池的陰極得0.03mol電子，根據(jù)流經(jīng)四個電極的電量相等，從而得出消耗甲醇的量．
③由圖可知最高點反應到達平衡，到達平衡后，溫度越高，φ（CH₃OH）越小，升高平衡向逆反應進行，據(jù)此判斷；
（3）（NH₄）₂SO₄為強酸弱堿鹽，水解顯酸性．滴人NaOH溶液至溶液呈中性，根據(jù)物料守恒和電荷守恒列式即得出Na⁺和NH₃•H₂O濃度的關系．

解答 解：（1）因蓋斯定律，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．兩式相加除2，可得
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，10min時，反應已經(jīng)達平衡，△c（CO₂）=1.00mol/L-0.25mol/L=0.75mol/L，所以10min內(nèi)，v（CO₂）=$\frac{△c（CO{\;}_{2}）}{△t}$=$\frac{0.75mol/L}{10min}$=0.075mol/（L•min），反應速率之比等于計量數(shù)之比，故v（H₂）=3v（CO₂）=3×0.075mol/（L•min）=0.225mol/（L•min），
根據(jù)圖象可知：c（CO₂）_平衡=0.25mol/L，c（CH₃OH）_平衡=0.75mol/L，因為CO₂的起始濃度為1mol/L而加入的物質(zhì)的量為1mol，所以可知容器的體積為1L，再根據(jù)反應CO₂（g）+3H₂（g）CH₃OH（g）+H₂O可求得，c（H₂）_平衡=$\frac{3mol}{1L}$-3×0.75=0.75mol/L，c（H₂O）_平衡=c（CH₃OH）_平衡=0.75mol/L，
該溫度下該反應的K=$\frac{c（CH{\;}_{3}OH）c（H{\;}_{2}O）}{c（CO{\;}_{2}）c{\;}^{3}（H{\;}_{2}）}$=$\frac{0.75mol/L×0.75mol/L}{0.25mol/L×（0.75mol/L）{\;}^{3}}$=$\frac{16}{3}$，保持溫度不變，

向該密閉容器中再充入1mol CO₂（g）和1mol H₂O（g）時，比值$\frac{c（CH{\;}_{3}OH）c（H{\;}_{2}O）}{c（CO{\;}_{2}）c{\;}^{3}（H{\;}_{2}）}$=$\frac{0.75mol/L×1.75mol/L}{1.25mol/L×（0.75mol/L）{\;}^{3}}$=$\frac{112}{45}$＜$\frac{16}{3}$，所以平衡要向正反應方向移動，
故答案為：0.225；正向；
②在甲醇燃料電池（電解質(zhì)溶液為稀硫酸）中，正極發(fā)生還原反應，即O₂放電，根據(jù)電解質(zhì)溶液為酸性溶液，得出正極反應為：O₂+4e^-+4H⁺=2H₂O；
NaCl溶液的pH值變?yōu)?3，即得出△n（OH^-）=（10^-1-10^-7）×0.3L=0.03mol=△n（H⁺），根據(jù)電解池中陰極的電極反應2H⁺+2e^-=H₂↑可知：
電解池的陰極得0.03mol電子．而流經(jīng)四個電極的電量相等，根據(jù)燃料電池的負極反應CH₃OH-6e^-+H₂O=CO₂+6H⁺可知CH₃OH～6e^-，故失0.03mol電子時消耗0.005mol甲醇．
故答案為：O₂+4e^-+4H⁺=2H₂O； 0.005；
③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，說明升高溫度平衡向逆反應進行，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：＜；
（3）（NH₄）₂SO₄為強酸弱堿鹽，NH₄⁺水解顯酸性：NH₄⁺+H₂O NH₃•H₂O+H⁺
向（NH₄）₂SO₄，溶液中滴人NaOH溶液至溶液呈中性，根據(jù)電荷守恒可得：C（NH₄⁺）+C（Na⁺）+C（H⁺）=C（OH^-）+2C（SO₄^2-） ①
根據(jù)物料守恒列式可得：C（NH₄⁺）+C（NH₄•H₂O）=2C（SO₄^2-） ②
將①②聯(lián)立即得：C（Na⁺）=C（NH₄•H₂O），
故答案為：NH₄⁺+H₂O NH₃•H₂O+H⁺；=．

點評 本題考查了熱化學方程式的書寫、平衡的移動以及平衡常數(shù)的計算、原電池和電解池等內(nèi)容，綜合性較強，難度較大．