Question

火力發電廠釋放出大量氮氧化物（NO_x）、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

（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）

試題分析：（1）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）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-867 kJ?mol^-1
（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⁺+H₂O NH₃·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(SO₄^2-)，所以c(Na⁺)+c(NH₄⁺)= 2c(SO₄^2-)，再根據物料守恒得2c(SO₄^2-)=c(NH₄⁺)+c(NH₃·H₂O)，兩式結合可得c(Na⁺)= c(NH₃·H₂O)。