Question

（14分）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造成环境污染。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^－1

CH₄（g）＋4NO（g）＝2N₂（g）＋CO₂（g）＋2H₂O（g）  △H₂＝－1160 kJ·mol^－1

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

①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的关系曲线如图所示，

          

则上述CO₂转化为甲醇的反应的△H₃__________0（填“＞”、“＜”或“＝”）。

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图所示。试回答：0~10 min内，氢气的平均反应速率为          mol/（L·min）；该温度下，反应的平衡常数的值为                       ；第10 min后，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、不变）。

（3）脱硫。某种脱硫工艺中将废气经处理后，与一定量的氨气、空气反应，生成硫酸铵和硝酸铵的混合物作为副产品化肥。硫酸铵和硝酸铵的水溶液的pH＜7，其原因用离子方程式表示为                  ；在一定物质的量浓度的硝酸铵溶液中滴加适量的NaOH溶液，使溶液的pH=7，则溶液中c(Na⁺) + c(H⁺)__________c(NO₃^-) + c(OH^-)（填写 “＞”“＝”或“＜”）

Answer

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

（2）①＜ （2分） ②0.225 （2分） ，16/3 （2分），变大（2分）

（3）NH4++H2O NH3·H2O+H+ （2分） ， ＜（2分）

【解析】

试题分析：（1）将两式相加，整理可得：CH4（g）＋2NO2（g）＝N2（g）＋CO2（g）＋2H2O（g）△H＝－867 kJ/mol；（2）①根据图像可知：在一定的温度范围内，温度越高，反应速率越快，在相同的时间内产生的甲醇就越多，当温度升高到一定温度后随着反应温度的升高，甲醇的含量反而降低，是因为当反应达到平衡后，升高温度，平衡向逆向移动，根据平衡移动原理：升高温度，平衡向吸热反应方向移动，逆反应方向是吸热反应，所以该反应的正反应是放热反应，故△H3＜0；②0~10 min内，V(CO2)=0.75mol/L÷10min=0.075mol/(L·min),V(H2)=3 V(CO2)= 3×0.075mol/(L·min)=0.225 mol/(L·min)；该温度下，反应达到平衡时各种物质的浓度分别是：C(CO2)=0.25mol/L;C(H2)=0.75mol/L；C(CH3OH)=0.75mol/L；C(H2O)= 0.75mol/L。所以反应的平衡常数的值为K=第10 min后，向该容器中再充入1 mol CO2和3 mol H2，由于该反应是在恒容条件下进行，正反应是气体体积减小的反应，所以增大压强，平衡正向移动，因此当再次达到平衡时CH3OH（g）的体积分数将增大；（3）硫酸铵和硝酸铵的水溶液的pH＜7，其原因是盐是强酸弱碱盐，NH4+发生水解反应消耗水电离产生的OH-，最终使溶液中c(H+)>c(OH-)。用离子方程式表示为NH4++H2O NH3·H2O+H+。在一定物质的量浓度的硝酸铵溶液中滴加适量的NaOH溶液，使溶液的pH=7，则根据电荷守恒，c(NH4+) +c(Na+) + c(H+)=c(NO3-) + c(OH-),所以溶液中c(Na+) + c(H+)＜c(NO3-) + c(OH-)。

考点：考查盖斯定律的应用、反应热的判断、平衡常数的计算、化学反应速率的计算、微粒浓度的比较。