Question

【題目】火力發電廠釋放出大量氮氧化合物（NOx）、SO2和CO2等氣體會造成環境問題。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NOx：

CH4(g）＋ 4NO2(g）＝4NO(g）＋ CO2(g）＋ 2H2O(g） △H1＝－574 kJ/mol

CH4(g）＋ 4NO(g）＝2N2(g）＋ CO2(g）＋ 2H2O(g） △H2＝－1160 kJ/mol

甲烷直接將NO2還原為N2的熱化學方程式為___________。

（2）脫碳。將CO2轉化為甲醇：CO2(g)＋3H2(g)CH3OH(g)＋H2O(g） △H3

①在一恒溫恒容密閉容器中充入1 mol CO2和3 mol 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：0～10 min內，氫氣的平均反應速率為___mol/(L·min)；第10 min后，保持溫度不變，向該密閉容器中再充入1 mol CO2(g)和1 mol H2O(g)，則平衡________（填“正向”、“逆向”或“不”）移動。

②如圖2，25℃時以甲醇燃料電池（電解質溶液為稀硫酸）為電源來電解300mL 某NaCl溶液，正極反應式為______。在電解一段時間后，NaCl溶液的pH值變為13（假設NaCl溶液的體積不變），則理論上消耗甲醇的物質的量為_____mol。

③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3所示，則上述CO2轉化為甲醇的反應的△H3____0（填“＞”、“＜”或“＝”）。

（3）脫硫。燃煤廢氣經脫硝、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______(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

【答案】CH4（g）+2NO2（g）=N2（g）+CO2（g）+2H2O（g）△H＝-867 kJ/mol 0.225 正向 O2 + 4e－+ 4H+＝2H2O 0.005 ＜ NH4++H2ONH3·H2O+H+ ＝

【解析】

（1）已知：① CH4(g）＋ 4NO2(g）＝4NO(g）＋ CO2(g）＋ 2H2O(g） △H1＝－574 kJ/mol，② CH4(g）＋ 4NO(g）＝2N2(g）＋ CO2(g）＋ 2H2O(g） △H2＝－1160 kJ/mol，根據蓋斯定律，將①+②相加除以2即得所求方程式，所以甲烷直接將NO2還原為N2的熱化學方程式為CH4（g）+2NO2（g）＝2（g）+CO2（g）+2H2O（g）△H＝-867 kJ/mol。

（2）①由圖1知甲醇的濃度在10min內增加0.75mol/L，所以氫氣濃度減少3×0.75mol/L，0～10 min內，氫氣的平均反應速率為3×0.75mol/L/10min="0.225" mol/(L·min)；向該密閉容器中再充入1 mol CO2(g)和1 mol H2O(g)，反應物濃度增大，平衡正向移動；

②正極發生還原反應，氧氣得電子結合氫離子成為水，電極反應式為O2 + 4e－+ 4H+＝2H2O；NaCl溶液的pH值變為13，說明c（NaOH）=0.1mol/L,其物質的量為0.03mol，說明生成氯氣0.015mol，轉移電子0.03mol，根據得失電子守恒，每消耗1mol甲醇的物質的量是0.005mol；

③圖3的最高點意味著達平衡時甲醇的體積分數，隨溫度升高，甲醇體積分數減小，說明升溫平衡逆向移動，所以正向為放熱反應，△H3＜0；

（3）硫酸銨水溶液呈酸性的原因是銨根離子水解使溶液顯酸性，離子方程式為NH4+＋H2ONH3·H2O＋H+；室溫時，向(NH4)2SO4,溶液中滴人NaOH溶液至溶液呈中性，則有c(OH-)＝c(H＋)，根據電荷守恒，c(Na+)+c(H＋)+c(NH4+)＝c(OH-)+2c(SO42-)，所以c(Na+)+c(NH4+)＝2c(SO42-)，再根據物料守恒得2c(SO42-)＝c(NH4+)+c(NH3·H2O)，兩式結合可得c(Na+)＝c(NH3·H2O)。