Question

火力发电厂释放出大量氮氧化合物（NOx）、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

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

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）CH4（g）+2NO2（g）=N2（g）+CO2（g）+2H2O（g）△H＝-867 kJ/mol

（2）①0.225；正向 ②O2 + 4e－+ 4H+＝2H2O；0.005③＜

（3）NH4++H2ONH3·H2O+H+；＝

【解析】

试题分析：（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）＝2（g）+CO2（g）+2H2O（g）△H＝-867 kJ/mol。

（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(SO42-)，所以c(Na+)+c(NH4+)＝2c(SO42-)，再根据物料守恒得2c(SO42-)＝c(NH4+)+c(NH3·H2O)，两式结合可得c(Na+)＝c(NH3·H2O)。

【考点定位】本题主要是考查盖斯定律的应用，化学反应速率的计算，平衡移动，氧化还原反应的计算，电荷守恒和物料守恒规律的应用

【名师点睛】该题的难点是分析图像，有关化学平衡、化学反应速率的图表题一直是高考关注的热点，在审题时，一般采用“看特点，识图像，想原理，巧整合”四步法。第一步：看特点。即分析可逆反应化学方程式，观察物质的状态、气态物质分子数的变化(正反应是气体分子数增大的反应，还是气体分子数减小的反应)、反应热(正反应是放热反应，还是吸热反应)等。第二步：识图像。即识别图像类型，横坐标和纵坐标的含义、线和点(平台、折线、拐点等)的关系。利用规律“先拐先平，数值大”判断，即曲线先出现拐点，先达到平衡，其温度、压强越大。第三步：想原理。联想化学反应速率、化学平衡移动原理，特别是影响因素及使用前提条件等。第四步：巧整合。图表与原理整合。逐项分析图表，重点看图表是否符合可逆反应的特点、化学反应速率和化学平衡原理。而判断溶液中离子浓度大小关系时关键是灵活应用电荷守恒和物料守恒以及质子守恒。