Question

20．随着大气污染的日趋严重，国家拟于“十二五”期间，将二氧化硫（SO₂）排放量减少8%，氮氧化物（NO_x）排放量减少10%．目前，消除大气污染有多种方法．
（1）处理NO_x的一种方法是利用甲烷催化还原NO_x．已知：
CH₄（g）+4NO₂（g）═4NO（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-574kJ•mol^-1
CH₄（g）+4NO（g）═2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-1160kJ•mol^-1
则甲烷直接将NO₂还原为N₂的热化学方程式为CH₄（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-867kJ•mol^-1．
（2）全钒氧化还原液流电池，是目前发展势头强劲的优秀绿色环保储能电池．其电池总反应为：V³⁺+VO²⁺+H₂O$?_{放电}^{充电}$VO₂⁺+2H⁺+V²⁺．充电过程中，H⁺向阴极区迁移（填“阴极区”或“阳极区”）．充电时阴极反应式为V³⁺+e^-=V²⁺．
（3）降低汽车尾气的方法之一是在排气管上安装催化转化器，发生如下反应：2NO（g）+2CO（g）?N₂（g）+2CO₂（g）；△H＜0．该反应的化学平衡常数表达式为K=$\frac{c（{N}_{2}）•{c}^{2}（C{O}_{2}）}{{c}^{2}（NO）•{c}^{2}（CO）}$．若在一定
温度下，将2molNO、1molCO充入1L固定容积的容器中，反应过程中各物质的浓度变化如右图所示．若保持温度不变，20min时再向容器中充入CO、N₂各0.6mol，平衡将不移动（填“向左”、“向右”或“不”）．20min时，若改变反应条件，导致N₂浓度发生如图所示的变化，则改变的条件可能是B（填序号）．
①加入催化剂　  ②降低温度　  ③缩小容器体积　  ④增加CO₂的量
（4）利用Fe²⁺、Fe³⁺的催化作用，常温下将SO₂转化为SO₄^2-而实现SO₂的处理（总反应为2SO₂+O₂+2H₂O═2H₂SO₄）．已知，含SO₂的废气通入含Fe²⁺、Fe³⁺的溶液时，其中一个反应的离子方程式为4Fe²⁺+O₂+4H⁺═4Fe³⁺+2H₂O，则另一反应的离子方程式为2Fe³⁺+SO₂+2H₂O=2Fe²⁺+SO₄^2-+4H⁺．

Answer 1

分析 （1）依据热化学方程式和盖斯定律计算得到；
（2）根据电池总反应和参加物质的化合价的变化可知，反应中V²⁺离子被氧化，应是电源的负极，VO₂⁺离子化合价降低，被还原，应是电源的正极反应，根据原电池的工作原理进行分析；
（3）依据平衡常数概念写出该反应的平衡常数表达式，然后通过列式计算，依据浓度商和平衡常数比较分析判断；根据影响化学平衡的因素判断改变的条件；
（4）根据催化剂的特点可知另一个反应一定实现Fe³⁺→Fe²⁺，据此写出另一个反应的离子方程式．

解答 解：（1）①CH₄（g）+4NO₂（g）═4NO（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-574kJ•mol^-1
②CH₄（g）+4NO（g）═2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-1160kJ•mol^-1
由盖斯定律（①+②）÷2得到CH₄（g）+2NO₂（g）═N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-867kJ•mol^-1，
故答案为：CH₄（g）+2NO₂（g）═N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-867kJ•mol^-1；
（2）依据电极原理分析，充电过程中，H⁺向阴极区移动，
反应中VO₂⁺离子化合价降低，被还原，应是电源的正极反应，V²⁺离子被氧化，应是电源的负极，电极反应为：V³⁺+e^-=V²⁺，
故答案为：阴极区；V³⁺+e^-=V²⁺；
（3）反应2NO（g）+2CO（g）?N₂（g）+2CO₂（g）的平衡常数表达式为：K=$\frac{c（{N}_{2}）•{c}^{2}（C{O}_{2}）}{{c}^{2}（NO）•{c}^{2}（CO）}$，
依据图象可知，15分钟时达到平衡时氮气浓度为0.2mol/L，NO平衡浓度为1.6mol/L，一氧化碳浓度为0.6mol/L，二氧化碳浓度为0.4mol/L，
2NO（g）+2CO（g）?N₂（g）+2CO₂（g）△H＜0，该温度下该反应的平衡常数为：K=$\frac{c（{N}_{2}）•{c}^{2}（C{O}_{2}）}{{c}^{2}（NO）•{c}^{2}（CO）}$=$\frac{0.2×0．{4}^{2}}{0．{6}^{2}×1．{6}^{2}}$=0.035，若保持温度不变，20min时再向容器中充入CO、N₂各0.6mol，则各组分浓度分别为：c（NO）=1.6mol/L、c（CO）=0.6mol/L+0.6mol/L=1.2mol/L、c（N₂）=0.2mol/L+0.6mol/L=0.8mol/L、c（CO₂）=0.4mol/L，Qc=$\frac{c（{N}_{2}）•{c}^{2}（C{O}_{2}）}{{c}^{2}（NO）•{c}^{2}（CO）}$=$\frac{0.8×0．{4}^{2}}{1．{6}^{2}×1．{2}^{2}}$=0.035=K，则化学平衡不动，20min时，若改变反应条件，导致N₂浓度发生如图所示的变化，斜率减小反应速率减小，氮气浓度增大，反应是气体体积减小的放热反应，则改变的条件可能是降温，所以B正确，
故答案为：$\frac{c（{N}_{2}）•{c}^{2}（C{O}_{2}）}{{c}^{2}（NO）•{c}^{2}（CO）}$；不；B；
（4）根据催化剂的特点，另一个反应一定有Fe³⁺→Fe²⁺，反应方程式为 2Fe³⁺+SO₂+2H₂═2Fe²⁺+SO₄^2-+4H⁺，通过该反应，吸收了大气污染物SO₂，同时制得了硫酸，
故答案为：2Fe³⁺+SO₂+2H₂O═2Fe²⁺+SO₄^2-+4H⁺．

点评 本题考查了化学平衡的计算、热化学方程式书写及原电池、电解池原理的应用，平衡移动方向判断、反应离子方程式的书写方法等知识，题目难度中等，注意掌握化学平衡及其影响因素，明确化学平衡常数的概念及表达式，能够根据平衡常数及浓度熵判断平衡状态．