Question

火力發(fā)電廠釋放出大量的氮氧化物（NO_x）、二氧化硫和二氧化碳等氣體會(huì)造成環(huán)境污染．對(duì)燃煤廢氣進(jìn)行脫硝、脫硫和脫碳等處理，可實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保、節(jié)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=-574kJ?mol^-1 CH₄（g）+4NO（g）=2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₂=-1160kJ?mol^-1甲烷直接將NO₂還原為N₂的熱化學(xué)方程式為

CH₄（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-867kJ?mol^-1

．
（2）脫碳．將CO₂轉(zhuǎn)化為甲醇的熱化學(xué)方程式為：CO₂（g）+3H₂（g）  CH₃OH（g）+H₂O（g）△H₃
①取五份等體積CO₂和H₂的混合氣體（物質(zhì)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(fā)生上述反應(yīng)，反應(yīng)相同時(shí)間后，測(cè)得甲醇的體積分?jǐn)?shù)φ（CH₃OH） 與反應(yīng)溫度T的關(guān)系曲線（見圖1），則上述CO₂轉(zhuǎn)化為甲醇反應(yīng)的△H₃

＜

0（填“＞”、“＜”或“=”）．
②在一恒溫恒容密閉容器中充入1mol CO₂和3mol H₂，進(jìn)行上述反應(yīng)．測(cè)得CO₂和CH₃OH（g）的濃度隨時(shí)間變化如圖2所示．下列說法正確的是

B

（填字母代號(hào)）．
A．第10min后，向該容器中再充入1mol CO₂和3mol H₂，則再次達(dá)到平衡時(shí)c（CH₃OH）=1.5mol/L
B．達(dá)到平衡時(shí)，氫氣的轉(zhuǎn)化率為0.75
C．0～10分鐘內(nèi)，氫氣的平均反應(yīng)速率為0.075mol/（L?min）
D．該溫度下，反應(yīng)的平衡常數(shù)的值為3/16
E．升高溫度將使n（CH₃OH）/n（CO₂）增大
③直接甲醇燃料電池結(jié)構(gòu)如圖3所示．其工作時(shí)負(fù)極電極反應(yīng)式可表示為

2CH₃OH+2H₂O-12e^-═12H⁺+2CO₂

．
（3）脫硫．某種脫硫工藝中將廢氣經(jīng)處理后，與一定量的氨氣、空氣反應(yīng)，生成硫酸銨和硝酸銨的混合物作為副產(chǎn)品化肥．設(shè)煙氣中的SO₂、NO₂的物質(zhì)的量之比為1：1，則該反應(yīng)的化學(xué)方程式為

12NH₃+3O₂+4SO₂+4NO₂+6H₂O=4（NH₄）₂SO₄+4NH₄NO₃

．

Answer 1

分析：（1）（1）根據(jù)蓋斯定律，利用已知化學(xué)反應(yīng)方程式乘以某個(gè)系數(shù)相加或相減，構(gòu)造出目標(biāo)化學(xué)反應(yīng)方程式，該化學(xué)反應(yīng)的焓變即為已知化學(xué)反應(yīng)方程式的焓變乘以某個(gè)系數(shù)相加或相減得到．
（2）①由圖可知，到達(dá)平衡后，溫度越高，φ（CH₃OH）越小，平衡向逆反應(yīng)進(jìn)行；
②利用三段式求出反應(yīng)混合物的濃度變化量、平衡時(shí)各組分的濃度．
A、再充入1mol CO₂和3mol H₂，可等效為開始體積變?yōu)樵瓉淼?倍，加入2mol CO₂和6mol H₂，平衡后，再將體積壓縮為原來的體積，增大壓強(qiáng)平衡向體積減小的方向移動(dòng)，即向正反應(yīng)移動(dòng)，反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率增大；
B、根據(jù)轉(zhuǎn)化率的定義計(jì)算判斷；
C、利用v=

△n

△t

計(jì)算v（H₂）判斷；
D、該溫度下該反應(yīng)的K=

c(CH3OH)?c(H2O)

c(CO2)?[c(H2)]3

，代入數(shù)據(jù)計(jì)算；
E、該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，升高溫度平衡向逆反應(yīng)進(jìn)行，n（CH₃OH）減小，n（CO₂）增大．
③本質(zhì)為 2 CH₃OH+3O₂=2CO₂+4H₂O，CH₃OH 失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，氧氣得電子發(fā)生還原反應(yīng)；原電池中負(fù)極上發(fā)生氧化反應(yīng)，正極上發(fā)生還原反應(yīng)，所以CH₃OH 在負(fù)極上發(fā)生反應(yīng)，氧氣在正極上發(fā)生反應(yīng)；正極上氧氣得電子和氫離子反應(yīng)生成水；負(fù)極上CH₃OH 失電子和水反應(yīng)生成氫離子和二氧化碳．
（3）根據(jù)氧化還原反應(yīng)配平書寫化學(xué)反應(yīng)方程式．

解答：解：（1）已知：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=-1160kJ?mol^-1
不管化學(xué)反應(yīng)是一步完成還是分幾步完成，其反應(yīng)熱是相同的．兩式相加，可得
2CH₄（g）+4NO₂（g）=2N₂（g）+2CO₂（g）+4H₂O（g）△H=-1734 kJ/mol  
即CH₄（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-867 kJ?mol^-1
故答案為：CH₄（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-867 kJ?mol^-1
（2）①由圖可知最高點(diǎn)反應(yīng)到達(dá)平衡，達(dá)平衡后，溫度越高，φ（CH₃OH）越小，平衡向逆反應(yīng)進(jìn)行，升高溫度平衡吸熱方向進(jìn)行，逆反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，則正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，即△H₃＜0．
故答案為：＜
②由圖2可知，開始二氧化碳的濃度為1.0mol/L，開始容器中充入1mol CO₂和3mol H₂，所以開始?xì)錃獾臐舛葹?.0mol/L，容器體積為

1.0mol

1.0mol/L

=1L．
平衡時(shí)，甲醇的濃度為0.75mol/L
               CO₂（g）+3H₂（g） 

一定條件

 CH₃OH（g）+H₂O（g）
開始（mol/L）：1        3                    0        0
變化（mol/L）：0.75     2.25                0.75     0.75
平衡（mol/L）：0.25     0.75                0.75     0.75
A、通過上述計(jì)算可知二氧化碳的轉(zhuǎn)化率為

0.75mol/L

1.0mol/L

×100%=75%，再充入1mol CO₂和3mol H₂，可等效為開始體積變?yōu)樵瓉淼?倍，加入2mol CO₂和6mol H₂，平衡后，再將體積壓縮為原來的體積，增大壓強(qiáng)平衡向體積減小的方向移動(dòng)，即向正反應(yīng)移動(dòng)，反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率增大，所以再次達(dá)到平衡時(shí)c（CH₃OH）＞1.5mol/L，故A錯(cuò)誤；
B、通過上述計(jì)算可知?dú)錃獾霓D(zhuǎn)化率為

2.25mol/L

3mol/L

×100%=75%，故B正確；
C、10分鐘內(nèi)，氫氣的平均反應(yīng)速率為v（H₂）=

2.25mol/L

10min

=0.225mol/（L?min），故C錯(cuò)誤；
D、該溫度下該反應(yīng)的K=

c(CH3OH)?c(H2O)

c(CO2)?[c(H2)]3

=

0.75×0.75

0.25×(0.75)3

=

16

3

，故D錯(cuò)誤；
E、該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，升高溫度平衡向逆反應(yīng)進(jìn)行，n（CH₃OH）減小，n（CO₂）增大，所以n（CH₃OH）/n（CO₂）值減小，故E錯(cuò)誤．
故選：B
③總反應(yīng)式為2 CH₃OH+3O₂=2CO₂+4H₂O，
正極反應(yīng)式：3O₂+12H⁺+12e^-═6H₂O；
總反應(yīng)式減去正極反應(yīng)式即為負(fù)極反應(yīng)式，
所以負(fù)極反應(yīng)式為：2CH₃OH+2H₂O-12e^-═12H⁺+2CO₂；
故答案為：2CH₃OH+2H₂O-12e^-═12H⁺+2CO₂
（3）反應(yīng)方程式為12NH₃+3O₂+4SO₂+4NO₂+6H₂O=4（NH₄）₂SO₄+4NH₄NO₃
故答案為：12NH₃+3O₂+4SO₂+4NO₂+6H₂O=4（NH₄）₂SO₄+4NH₄NO₃

點(diǎn)評(píng)：本題從多個(gè)角度對(duì)化石燃料進(jìn)行了全面的考查，難度中等，培養(yǎng)了學(xué)生分析問題解決問題的能力．