Question

火力发电厂释放出大量氮氧化物（NO_x）、SO₂和CO₂等气体会造成环境问题。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＝－574 kJ·mol^－1    ①
CH₄(g）＋ 4NO(g）＝2N₂(g）＋ CO₂(g）＋ 2H₂O(g） △H₂＝－1160 kJ·mol^－1    ②
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：CO₂(g)＋3H₂(g) CH₃OH(g)＋H₂O(g）  △H₃
       
①在一恒温恒容密闭容器中充入1 mol CO₂和3 mol H₂进行上述反应。测得CO₂和CH₃OH(g)浓度随时间变化如图1所示。回答：0～10 min内，氢气的平均反应速率为   mol/(L·min)；第10 min后，保持温度不变，向该密闭容器中再充入1 mol CO₂(g)和1 mol H₂O(g)，则平衡        （填“正向”、“逆向”或“不”）移动。
②如图2，25℃时以甲醇燃料电池（电解质溶液为稀硫酸）为电源来电解300mL 某NaCl溶液，正极反应式为                        。在电解一段时间后，NaCl溶液的pH值变为13（假设NaCl溶液的体积不变），则理论上消耗甲醇的物质的量为     mol。
③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3所示，则上述CO₂转化为甲醇的反应的△H₃    0（填“＞”、“＜”或“＝”）。
（3）脱硫。燃煤废气经脱硝、脱碳后，与一定量氨气、空气反应，生成硫酸铵。硫酸铵水溶液呈酸性的原因是                                           (用离子方程式表示)；室温时，向(NH₄)₂SO₄,溶液中滴人NaOH溶液至溶液呈中性，则所得溶液中微粒浓度大小关系c(Na^＋）       c(NH₃·H₂O)。（填“＞”、“＜”或“＝”）

Answer 1

（1）CH₄（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-867 kJ?mol^-1（2分）
（2）①0.225 （2分）；正向（2分）
②O₂ + 4e^－+ 4H⁺＝2H₂O（2分）；0.005 （2分）；
③＜（2分）
（3）NH₄⁺+H₂ONH₃·H₂O+H⁺（2分）；＝（2分）

试题分析：（1）根据盖斯定律，将①+②相加除以2即得所求方程式，所以甲烷直接将NO₂还原为N₂的热化学方程式为CH₄（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-867 kJ?mol^-1
（2）①由图1知甲醇的浓度在10min内增加0.75mol/L，所以氢气浓度减少3×0.75mol/L，0～10 min内，氢气的平均反应速率为3×0.75mol/L/10min="0.225" mol/(L·min)；向该密闭容器中再充入1 mol CO₂(g)和1 mol H₂O(g)，反应物浓度增大，平衡正向移动；
②正极发生还原反应，氧气得电子结合氢离子成为水，电极反应式为O₂ + 4e^－+ 4H⁺＝2H₂O；NaCl溶液的pH值变为13，说明c（NaOH）=0.1mol/L,其物质的量为0.03mol，说明生成氯气0.015mol，转移电子0.03mol，根据得失电子守恒，每消耗1mol甲醇的物质的量是0.005mol；
③图3的最高点意味着达平衡时甲醇的体积分数，随温度升高，甲醇体积分数减小，说明升温平衡逆向移动，所以正向为放热反应，△H₃<0;
（3）硫酸铵水溶液呈酸性的原因是铵根离子水解使溶液显酸性，离子方程式为NH₄⁺+H₂O NH₃·H₂O+H⁺；室温时，向(NH₄)₂SO₄,溶液中滴人NaOH溶液至溶液呈中性，则有c(OH^-)= c(H^＋)，根据电荷守恒，c(Na⁺)+c(H^＋)+c(NH₄⁺)= c(OH^-)+2c(SO₄^2-)，所以c(Na⁺)+c(NH₄⁺)= 2c(SO₄^2-)，再根据物料守恒得2c(SO₄^2-)=c(NH₄⁺)+c(NH₃·H₂O)，两式结合可得c(Na⁺)= c(NH₃·H₂O)。