Question

燃煤煙氣中含有大量的氮氧化合物（NO_x）、二氧化硫和二氧化碳等，不宜直接排放到空氣中，可采用以下措施對(duì)燃煤煙氣進(jìn)行處理．
（1）脫硝：選擇性催化還原法的脫硝原理是在催化劑存在下，通入甲烷使氮氧化合物（NO_x）轉(zhuǎn)化為無(wú)害氣體，發(fā)生如下反應(yīng)：
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

 

．
（2）脫硫：石灰石-石膏濕法煙氣脫硫的工作原理是煙氣中的二氧化硫與漿液中的碳酸鈣以及鼓入的空氣反應(yīng)生成石膏（CaSO₄?2H₂O）．某電廠(chǎng)用煤400噸（煤中含硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.5%），若燃燒時(shí)煤中的硫全部轉(zhuǎn)化成二氧化硫，用石膏濕法煙氣脫硫中有96%的硫轉(zhuǎn)化為石膏，則可生產(chǎn)石膏

 

噸．
（3）脫碳：從脫硝、脫硫后的煙氣中獲取二氧化碳，用二氧化碳合成甲醇是碳減排的新方向．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(xiàn)如下圖1所示，則上述CO₂轉(zhuǎn)化為甲醇反應(yīng)的△H₃

 

0（填“＞”、“＜”或“=”）．

②在容積為1L的恒溫密閉容器中充入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)間變化如上圖2所示．若在上述平衡體系中再充0.5mol CO₂和1.5mol H₂O（g） （保持溫度不變），則此平衡將

 

移動(dòng)（填“向正方向”、“不”或“逆方向”）
③甲烷可制成合成氣（CO、H₂），再制成甲醇，代替日益供應(yīng)緊張的燃油．將CH₄設(shè)計(jì)成燃料電池，其利用率更高，裝置示意如上圖3（A、B為多孔性碳棒）．持續(xù)通入甲烷，在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，消耗甲烷體積VL．
a．V=67.2L時(shí)，溶液中離子濃度大小關(guān)系為

 

．
b．V=89.6L時(shí)，負(fù)極電極反應(yīng)為

 

．

Answer 1

考點(diǎn)：熱化學(xué)方程式,化學(xué)電源新型電池,化學(xué)平衡的影響因素

專(zhuān)題：基本概念與基本理論

分析：（1）根據(jù)蓋斯定律可寫(xiě)出熱化學(xué)方程式；
（2）根據(jù)關(guān)系式S～SO₂～CaSO₄?2H₂O來(lái)計(jì)算；
（3）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依據(jù)化學(xué)平衡三段式列式計(jì)算平衡濃度，結(jié)合平衡常數(shù)概念計(jì)算平衡常數(shù)，再充入物質(zhì)，結(jié)合濃度商計(jì)算和平衡常數(shù)比較分析判斷分析進(jìn)行方向；
③n（KOH）=2mol/L×2L=4mol，可能先后發(fā)生反應(yīng)CH₄+2O₂=CO₂+2H₂O、CO₂+2KOH=K₂CO₃+H₂O、K₂CO₃+CO₂+H₂O=2KHCO₃；根據(jù)甲烷的量計(jì)算生成的二氧化碳的量，結(jié)合反應(yīng)方程式判斷反應(yīng)產(chǎn)物及發(fā)生的反應(yīng)．

解答： 解：（1）將反應(yīng)CH₄（g）+4NO₂（g）=4NO（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₁=-574kJ/mol和CH₄（g）+4NO（g）=2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₂=-1160kJ/mol相加再約去公約數(shù)即可得反應(yīng)CH₄（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g），其反應(yīng)熱△H=

△H1+△H2

2

=-867kJ/mol，熱反應(yīng)方程式為：CH₄（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-867kJ/mol，
故答案為：CH₄（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-867kJ/mol；
（2）S～SO₂ ～CaSO₄?2H₂O
     32        172
400t×2.5%×96% m

32

400t×2.5%×96%

=

172

m

，解得m=51.6t，
故答案為：51.6；
（3）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在容積為1L的恒溫密閉容器中充入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1所示，平衡濃度c（CO₂）=0.25mol/L，c（CH₃OH）=0.75mol/L，則
               CO₂ （g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）
起始量（mol/L） 1         3         0        0
變化量（mol/L） 0.75     2.25     0.75      0.75
平衡量（mol/L） 0.25     0.75     0.75      0.75
平衡常數(shù)K=

0.75×0.75

0.25×0.753

=5.3
若在上述平衡體系中再充0.5mol CO₂和1.5mol 水蒸氣（保持溫度不變），濃度商Q=

0.75×(0.75+1.5)

(0.25+0.25)×0.753

=5.3=K，則平衡不移動(dòng)；
故答案為：不；
③n（KOH）=2mol/L×2L=4mol，可能先后發(fā)生反應(yīng)CH₄+2O₂=CO₂+2H₂O、CO₂+2KOH=K₂CO₃+H₂O、K₂CO₃+CO₂+H₂O=2KHCO₃；
a、當(dāng)V=67.2 L時(shí)，n（CH₄）=3mol，n（CO₂）=3mol，則電池總反應(yīng)式為3CH₄+6O₂+4KOH=K₂CO₃+2KHCO₃+7H₂O，則得到1molK₂CO₃和2molKHCO₃的溶液，則c（K⁺）＞c（HCO₃^-）＞c（CO₃^2-）＞c（OH^-）＞c（H⁺），
故答案為：c（K⁺）＞c（HCO₃^-）＞c（CO₃^2-）＞c（OH^-）＞c（H⁺）；
b、當(dāng)甲烷V=89.6 L，n（CH₄）=4mol，發(fā)生反應(yīng)①②③，得到K₂CO₃和KHCO₃溶液，則負(fù)極反應(yīng)式為CH₄-8e^-+9OH^-=9HCO₃^-+3H₂O，故答案為：CH₄-8e^-+9OH^-=9HCO₃^-+3H₂O．

點(diǎn)評(píng)：本題主要考查了熱化學(xué)方程式、轉(zhuǎn)化率、化學(xué)平衡常數(shù)、化學(xué)平衡狀態(tài)的判斷、影響平衡移動(dòng)的因素、原電池原理分析應(yīng)用，考點(diǎn)較多，有一定的綜合性，掌握基礎(chǔ)是關(guān)鍵，中等難度．