Question

火力发电厂释放出大量的氮氧化物（NO_x）、二氧化硫和二氧化碳等气体会对环境造成严重影响。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

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

则甲烷直接将NO₂还原为N₂的热化学方程式为

__________________________________________________________________________。

（2）脱碳。将CO₂转化为甲醇的热化学方程式为：CO₂(g)＋3H₂(g)CH₃OH(g)＋H₂O(g)  △H₃

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的关系曲线如右图所示，则上述CO₂转化为甲醇的反应热△H₃_____0（填“＞”、“＜”或“＝”），该反应的平衡常数表达式为______________________________________________________。

②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)的浓度随时间变化如右图所示。试回答：0~10 min内，氢气的平均反应速率为_________mol/（L·min）。第10 min后，若向该容器中再充入1 mol CO₂和3 mol H₂，则再次达到平衡时CH₃OH(g)的体积分数_________（填“变大”、“减少”或“不变”）。

（3）脱硫。①有学者想利用如右图所示装置用原电池原理将SO₂转化为重要的化工原料，A、B是惰性电极。则电子流出的电极为_____（用A或B表示），A极的电极反应式为______________________________。

②某种脱硫工艺中将废气处理后，与一定量的氨气、空气反应，生成硫酸铵和硝酸铵的混合物，可作为化肥。硫酸铵和硝酸铵的水溶液pH＜7，其原因用离子方程式表示为_________________________；常温下，向一定物质的量浓度的硝酸铵溶液中滴加适量的氨水溶液，使溶液中的NO₃-和NH₄⁺的物质的量浓度相等，则溶液的pH_____7（填写“＞”“＝”或“＜”）。

Answer

（1）CH4(g)＋2NO2(g)＝CO2(g)＋2H2O(g)＋N2(g) ΔH＝－867 kJ/mol；

（2）① <；K＝；② 0.225；变大；（3）①A ； SO2－2e-＋2H2O＝SO42-＋4H+；

②NH4+＋H2ONH3.H2O＋H+ ；=

【解析】

试题分析：（1）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＝－1160 kJ/mol ②

根据盖斯定律，①+②可得甲烷直接将NO2还原为N2的热化学方程式为：2CH4(g)＋4NO2(g)＝2CO2(g)＋4H2O(g)＋2N2(g) ΔH＝－1734 kJ/mol；故甲烷直接将NO2还原为N2的热化学方程式为：CH4(g)＋2NO2(g)＝CO2(g)＋2H2O(g)＋N2(g) ΔH＝－867 kJ/mol；

（2）①由体积分数φ(CH3OH)与反应温度T的关系曲线可知，当达到平衡状态后，继续升高温度，体积分数φ(CH3OH)减小，即平衡逆向移动，故该反应为放热反应，△H3<0；该反应的平衡表达式为：；②由CO2和CH3OH(g)的浓度随时间变化图线可知：

CO2(g)＋3H2(g)CH3OH(g)＋H2O(g)

起始浓度（mol/L） 1 3 0 0

转化浓度（mol/L） 0.75 2.25 0.75 0.75

平衡浓度（mol/L） 0.25 0.75 0.75 0.75

故0~10 min内，氢气的平均反应速率为；

第10 min后，若向该容器中再充入1 mol CO2和3 mol H2，平衡正向移动，则再次达到平衡时CH3OH(g)的体积分数变大；

（3）①A、B是惰性电极，A极上SO2失去电子，发生氧化反应生成SO42-，B极上O2得到电子并与H+结合生成水；因此电子流出的是A极，电子流入的是B极；A极的电极反应式为：SO2－2e-＋2H2O＝SO42-＋4H+；②硫酸铵和硝酸铵的水溶液pH＜7，其原因是铵根在水溶液中发生水解，使溶液呈酸性，方程式为：NH4+＋H2ONH3.H2O＋H+ ；常温下，向一定物质的量浓度的硝酸铵溶液中滴加适量的氨水溶液，使溶液中的NO3-和NH4+的物质的量浓度相等，根据电荷守恒可知，c(NO3-)+c(OH-)=c(NH4+)+ c(H+)，由于c(NO3-)=c(NH4+)，因此c(OH-)= c(H+)，故溶液pH=7。

考点：考查盖斯定律，化学平衡的计算，影响化学平衡移动的因素及原电池的工作原理，盐类的水解。