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造成環(huán)境污染．對燃煤廢氣進行脫硝、脫硫和脫碳等處理，可實現(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的熱化學方程式為______．
（2）脫碳．將CO₂轉化為甲醇的熱化學方程式為：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，反應相同時間后，測得甲醇的體積分數(shù)φ（CH₃OH） 與反應溫度T的關系曲線（見圖1），則上述CO₂轉化為甲醇反應的△H₃______0（填“＞”、“＜”或“=”）．
②在一恒溫恒容密閉容器中充入1mol CO₂和3mol H₂，進行上述反應．測得CO₂和CH₃OH（g）的濃度隨時間變化如圖2所示．下列說法正確的是______（填字母代號）．
A．第10min后，向該容器中再充入1mol CO₂和3mol H₂，則再次達到平衡時c（CH₃OH）=1.5mol/L
B．達到平衡時，氫氣的轉化率為0.75
C．0～10分鐘內(nèi)，氫氣的平均反應速率為0.075mol/（L?min）
D．該溫度下，反應的平衡常數(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構如圖3所示．其工作時負極電極反應式可表示為______．
（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，生成硫酸銨和硝酸銨的混合物作為副產(chǎn)品化肥．設煙氣中的SO₂、NO₂的物質(zhì)的量之比為1：1，則該反應的化學方程式為______．

Answer 1

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
不管化學反應是一步完成還是分幾步完成，其反應熱是相同的．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由圖可知最高點反應到達平衡，達平衡后，溫度越高，φ（CH₃OH）越小，平衡向逆反應進行，升高溫度平衡吸熱方向進行，逆反應為吸熱反應，則正反應為放熱反應，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，所以開始氫氣的濃度為3.0mol/L，容器體積為=1L．
平衡時，甲醇的濃度為0.75mol/L
CO₂（g）+3H₂（g） 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、通過上述計算可知二氧化碳的轉化率為×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，增大壓強平衡向體積減小的方向移動，即向正反應移動，反應物的轉化率增大，所以再次達到平衡時c（CH₃OH）＞1.5mol/L，故A錯誤；
B、通過上述計算可知氫氣的轉化率為×100%=75%，故B正確；
C、10分鐘內(nèi)，氫氣的平均反應速率為v（H₂）==0.225mol/（L?min），故C錯誤；
D、該溫度下該反應的K===，故D錯誤；
E、該反應為放熱反應，升高溫度平衡向逆反應進行，n（CH₃OH）減小，n（CO₂）增大，所以n（CH₃OH）/n（CO₂）值減小，故E錯誤．
故選：B
③總反應式為2 CH₃OH+3O₂=2CO₂+4H₂O，
正極反應式：3O₂+12H⁺+12e^-═6H₂O；
總反應式減去正極反應式即為負極反應式，
所以負極反應式為：2CH₃OH+2H₂O-12e^-═12H⁺+2CO₂；
故答案為：2CH₃OH+2H₂O-12e^-═12H⁺+2CO₂
（3）反應方程式為12NH₃+3O₂+4SO₂+4NO₂+6H₂O=4（NH₄）₂SO₄+4NH₄NO₃
故答案為：12NH₃+3O₂+4SO₂+4NO₂+6H₂O=4（NH₄）₂SO₄+4NH₄NO₃
分析：（1）（1）根據(jù)蓋斯定律，利用已知化學反應方程式乘以某個系數(shù)相加或相減，構造出目標化學反應方程式，該化學反應的焓變即為已知化學反應方程式的焓變乘以某個系數(shù)相加或相減得到．
（2）①由圖可知，到達平衡后，溫度越高，φ（CH₃OH）越小，平衡向逆反應進行；
②利用三段式求出反應混合物的濃度變化量、平衡時各組分的濃度．
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，增大壓強平衡向體積減小的方向移動，即向正反應移動，反應物的轉化率增大；
B、根據(jù)轉化率的定義計算判斷；
C、利用v=計算v（H₂）判斷；
D、該溫度下該反應的K=，代入數(shù)據(jù)計算；
E、該反應為放熱反應，升高溫度平衡向逆反應進行，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，氧氣得電子發(fā)生還原反應；原電池中負極上發(fā)生氧化反應，正極上發(fā)生還原反應，所以CH₃OH 在負極上發(fā)生反應，氧氣在正極上發(fā)生反應；正極上氧氣得電子和氫離子反應生成水；負極上CH₃OH 失電子和水反應生成氫離子和二氧化碳．
（3）根據(jù)氧化還原反應配平書寫化學反應方程式．
點評：本題從多個角度對化石燃料進行了全面的考查，難度中等，培養(yǎng)了學生分析問題解決問題的能力．