Question

【題目】燃煤煙氣的脫硫脫硝是目前研究的熱點。

（1）用CH4催化還原氮氧化物可以消除氮氧化物的污染。已知：

①CH4(g)+4NO2(g)= 4NO(g)+CO2(g)+2H2O(g) △H= -574 kJmol-1

②CH4(g)+4NO(g)= 2N2(g)+CO2(g)+2H2O(g) △H= -1160 kJmol-1

③H2O(g) = H2O(l) △H= -44 kJmol-1

寫出CH4(g)與NO2(g)反應生成N2(g)、CO2(g)和H2O( l ) 的熱化學方程式_____________。

（2）某科研小組研究臭氧氧化--堿吸收法同時脫除SO2和NO工藝，氧化過程反應原理及反應熱、活化能數據如下：

反應Ⅰ：NO(g)+ O3(g) NO2(g)+O2(g) △H1 = -200.9 kJmol-1 Ea1 = 3.2 kJmol-1

反應Ⅱ：SO2(g)+ O3(g) SO3(g)+O2(g) △H2 = -241.6 kJmol-1 Ea2 = 58 kJmol-1

已知該體系中臭氧發生分解反應：2O3(g) 3O2(g)。請回答：

其它條件不變，每次向容積為2L的反應器中充入含1.0 mol NO、1.0 mol SO2的模擬煙氣和2.0 mol O3，改變溫度，反應相同時間t后體系中NO和SO2的轉化率如圖所示：

①由圖1可知相同溫度下NO的轉化率遠高于SO2，結合題中數據分析其可能原因_______。

②下列說法正確的是________。

A．P點一定為平衡狀態點

B．溫度高于200℃后，NO和SO2的轉化率隨溫度升高顯著下降、最后幾乎為零

C．其它條件不變，若縮小反應器的容積可提高NO和SO2的轉化率

D．臭氧氧化過程不能有效地脫除SO2，但后續步驟堿吸收可以有效脫硫

③假設100℃時P、Q均為平衡點，此時反應時間為10分鐘，發生分解反應的臭氧占充入臭氧總量的10%，則體系中剩余O3的物質的量是________mol；NO的平均反應速率為________；反應Ⅱ在此時的平衡常數為_______________。

（3）用電化學法模擬工業處理SO2。將硫酸工業尾氣中的SO2通入如圖裝置（電極均為惰性材料）進行實驗，可用于制備硫酸，同時獲得電能：

①M極發生的電極反應式為___________________。

②質子交換膜右側的溶液在反應后pH________（填“增大”、“減小”、“不變”）。

③當外電路通過0.2 mol電子時，質子交換膜左側的溶液質量______（填“增大”或“減小”）_______克。

Answer 1

【答案】 CH4(g)+2NO2(g)= N2(g)+CO2(g)+2H2O(l) △H=-955 kJ/mol 反應Ⅰ的活化能小于反應Ⅱ，相同條件下更易發生反應 BCD 0.65 0.0425mol/(L.min) 0.96 SO2+2H2O-2e- =SO42- +4H+ 增大 增大 6.2

【解析】(1)CH4(g)與NO2(g)反應生成N2(g)、CO2(g)和H2O(l)的化學方程式為：CH4(g)+2NO2(g)=N2(g)+CO2(g)+2H2O(1)。已知：①CH4(g)+4NO2(g)=4NO(g)+CO2(g)+2H2O(g)△H=-574kJmol-1，②CH4(g)+4NO(g)=2N2(g)+CO2(g)+2H2O(g)△H=-1160kJmol-1，③H2O(g)=H2O(l)△H=-44.0kJmol-1，將可得：CH4(g)+2NO2(g)=N2(g)+CO2(g)+2H2O(1)，△H==-955kJ/mol，故答案為：CH4(g)+2NO2(g)=N2(g)+CO2(g)+2H2O(1)，△H=-955kJmol-1；

(2)①反應Ⅰ的活化能小于反應Ⅱ，相同條件下更易發生反應，因此相同溫度下NO的轉化率遠高于SO2，故答案為：反應Ⅰ的活化能小于反應Ⅱ，相同條件下更易發生反應；

②A．隨著反應的進行，反應物的轉化率逐漸增大，因此P點不一定為平衡狀態點，可能是建立平衡過程中的一個點，故A錯誤；B．根據圖像，溫度高于200℃后，NO和SO2的轉化率隨溫度升高顯著下降、最后幾乎為零，故B正確；C．根據2O3(g) 3O2(g)，其它條件不變，若縮小反應器的容積，平衡逆向移動，使得臭氧的濃度增大，反應I和反應II的平衡正向移動，NO和SO2的轉化率增大，故C正確；D．根據圖像，臭氧氧化過程中二氧化硫的轉化率較低，不能有效地脫除SO2，二氧化硫是堿性氧化物，能夠被氫氧化鈉溶液吸收，故D正確；故選BCD；

③假設100℃時P、Q均為平衡點，此時反應時間為10分鐘，發生分解反應的臭氧占充入臭氧總量的10%，發生分解反應的臭氧為2mol×10%=0.2mol，根據反應Ⅰ：NO(g)+ O3(g) NO2(g)+O2(g)，平衡時NO的轉化率為85%，反應的臭氧為1mol×85%=0.85mol；反應Ⅱ：SO2(g)+ O3(g) SO3(g)+O2(g) ，平衡時二氧化硫的轉化率為30%，反應的臭氧為1mol×30%=0.30mol；最終剩余臭氧2mol-0.2mol-0.85mol-0.30mol=0.65mol；10min內NO的平均反應速率==0.0425mol/(L·min)；平衡時SO2、 O3、 SO3、O2的物質的量分別為0.7mol、0.65mol、0.3mol、0.2mol×+0.85mol+0.3mol=1.45mol，反應Ⅱ在此時的平衡常數==0.96，故答案為：0.65；0.0425mol/(L·min)；0.96；

(3)①該裝置是原電池，反應原理為二氧化硫、氧氣和水反應生成硫酸，通入氧氣的N電極是正極，原電池放電時，氫離子由負極移向正極，正極上氧氣得電子和氫離子反應生成水，電極反應式為：O2+4e-+4H+=2H2O，負極M上，二氧化硫失電子和水反應生成硫酸，電極反應式為：SO2-2e-+2H2O=4H++SO42-，故答案為：SO2-2e-+2H2O=4H++SO42-；

②質子交換膜右側為正極區，正極上氧氣得電子和氫離子反應生成水，溶液中的氫離子濃度減小，pH增大，故答案為：增大；

③質子交換膜左側為負極區，負極上，二氧化硫失電子和水反應生成硫酸，電極反應式為：SO2-2e-+2H2O=4H++SO42-，當外電路通過0.2 mol電子時，生成0.4mol氫離子，有2mol氫離子通過質子交換膜移向右側，左側的溶液質量增大64g/mol×0.1mol-0.2mol×1g/mol=6.2g，故答案為：增大；6.2。