Question

氮氧化物（NO_x）、SO₂和CO₂等气体会造成环境问题．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=-574kJ?mol^-1
CH₄（g）+4NO（g）=2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₂=-1160kJ?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：CO₂（g）+3H₂（g）═CH₃OH（g）+H₂O（g）△H₃

在一恒温恒容密闭容器中充入1mol CO₂和3mol H₂进行上述反应．测得CO₂和
CH₃OH（g）浓度随时间变化如图1所示．则0～10min内，氢气的平均反应速率为

 

mol/（L?min）；第10min后，保持温度不变，向该密闭容器中再充入1mol CO₂（g）
和1mol H₂O（g），则平衡

 

（填“正向”、“逆向”或“不”）移动．
（3）脱硫．利用Na₂SO₃溶液可脱除烟气中的SO₂．Na₂SO₃可由NaOH溶液吸收SO₂制
得．NaOH溶液吸收SO₂的过程中，pH随n（SO₃^2-）：n（HSO₃^-）变化关系如下表：

n（SO32-）：n（HSO3-）	91：9	1：1	9：91
pH	8.2	7.2	6.2

①由上表判断，NaHSO₃溶液显

 

性，用化学平衡原理解释：

 

．
②当溶液呈中性时，离子浓度关系正确的是（选填字母）：

 

．
a．c（Na⁺）=2c（SO₃^2-）+c（HSO₃^-）
b．c（Na⁺）＞c（HSO₃^-）＞c（SO₃^2-）＞c（H⁺）=c（OH^-）
c．c（Na⁺）+c（H⁺）=c（SO₃^2-）+c（HSO₃^-）+c（OH^-）
（4）利用如图2所示装置（电极均为惰性电极）可吸收SO₂，用阴极排出的溶液可吸收NO₂．
①阳极的电极反应式为

 

．
②在碱性条件下，用阴极排出的溶液吸收NO₂，使其转化为无害气体，同时有SO₃^2-生成．该反应中氧化剂与还原剂的物质的量之比为

 

．

Answer 1

考点：用盖斯定律进行有关反应热的计算,化学平衡的影响因素,盐类水解的应用,电解原理

专题：化学反应中的能量变化,化学平衡专题,电化学专题

分析：（1）根据盖斯定律，利用已知化学反应方程式乘以某个系数相加或相减，构造出目标化学反应方程式，该化学反应的焓变即为已知化学反应方程式的焓变乘以某个系数相加或相减得到．
（2）先根据图表，利用v=

△c

△t

计算v（CO₂），再利用各物质的反应速率之比等于计量数之比，确定v（H₂）；
该温度下该反应的K=

c(CH3OH)c(H2O)

c(CO2)c 3(H 2)

，第10min后，保持温度不变，向该密闭容器中再充入1mol CO₂（g）和1mol H₂O（g）时根据Qc与K的大小关系判断平衡移动方向；
（3）①由表格中的数据可知，HSO₃^-越多，酸性越强，则电离生成氢离子；
②吸收液呈中性时，溶质为亚硫酸钠和亚硫酸氢钠，电离与水解的程度相等，结合电荷守恒解答；
（4）①依据电极原理和反应过程中的离子变化写出电极反应；
②依据在碱性条件下，阴极排出的溶液为S₂O₄^2-，二氧化氮与其发生反应4S₂O₄^2-+2NO₂+8OH^-═8SO₄^2-+N₂+4H₂O，依据方程式即可解答．

解答： 解：（1）因盖斯定律，不管化学反应是一步完成还是分几步完成，其反应热是相同的．两式相加，可得2CH₄（g）+4NO₂（g）=2N₂（g）+2CO₂（g）+4H₂O（g）△H=-1734 kJ/mol，
故答案为：2CH₄（g）+4NO₂（g）=2N₂（g）+2CO₂（g）+4H₂O（g）△H=-1734 kJ/mol；       
（2）①由图可知，10min时，反应已经达平衡，△c（CO₂）=1.00mol/L-0.25mol/L=0.75mol/L，所以，
10min内，v（CO₂）=

△c(CO 2)

△t

=

0.75mol/L

10min

=0.075mol/（L?min），反应速率之比等于计量数之比，
故v（H₂）=3v（CO₂）=3×0.075mol/（L?min）=0.225mol/（L?min）；
平衡时，各组分的浓度分别为：c（CO₂）_平衡=0.25mol/L，c（H₂）_平衡=

3mol

1L

-3×0.75mol/L=0.75mol/L，
c（H₂O）_平衡=c（CH₃OH）_平衡=0.75mol/L，
该温度下该反应的K=

0.75mol/L×0.75mol/L

0.25mol/L×(0.75mol/L) 3

=

16

3

，再充入1mol CO₂（g）和1mol H₂O（g）时Qc=

0.75×1.75

1.25×0.753

＜

16

3

，所以平衡向正向移动；
故答案为：0.225；正向；
（3）①由表格中的数据可知，溶液呈酸性，HSO₃^-越多，酸性越强，是因为溶液中存在：HSO₃^-?SO₃^2-+H⁺； HSO₃^-+H₂O?H₂SO₃+OH^-电离程度大于水解程度，溶液显酸性，
故答案为：酸；溶液中存在：HSO₃^-?SO₃^2-+H⁺、HSO₃^-+H₂O?H₂SO₃+OH^-电离程度大于水解程度，故溶液显酸性；
②吸收液呈中性时，溶质为亚硫酸钠和亚硫酸氢钠，电离与水解的程度相等，
a．由电荷守恒可知，c（H⁺）+c（Na⁺）=2c（SO₃^2-）+c（HSO₃^-）+c（OH^-），中性溶液则c（H⁺）=c（OH^-），则c（Na⁺）=2c（SO₃^2-）+c（HSO₃^-），故a正确；
b．SO₃^2-+H₂O?HSO₃^-+OH^-，HSO₃^-?H⁺+SO₃^2-，亚硫酸两步水解，则离子浓度为c（Na⁺）＞c（HSO₃^-）＞c（SO₃^2-）＞c（H⁺）=c（OH^-），故b正确；
c．电荷守恒式为c（Na⁺）+c（H⁺）=2c（SO₃^2-）+c（HSO₃^-）+c（OH^-），故c错误；
故答案为：ab；
（4）①依据图示可知，二氧化硫被氧化为硫酸根，所以二氧化硫所在的区为阳极区，阳极区发生反应SO₂-2e^-+2H₂O═SO₄^2-+4H⁺；
故答案为：SO₂+2H₂O-2e^-=SO₃^2-+4H⁺；
②阴极排出的溶液为S₂O₄^2-，二氧化氮与其发生反应，S₂O₄^2-中硫元素由+3价，变为硫酸根中硫元素为+4价，S₂O₄^2-被氧化是还原剂；二氧化氮中的氮元素化合价为+4价变为氮气0价，二氧化氮被还原为氧化剂，依据原子守恒和得失电子守恒可得，发生的离子方程式为4S₂O₄^2-+2NO₂+8OH^-═8SO₄^2-+N₂+4H₂O，所以该反应中氧化剂与还原剂的物质的量之比为1：2，
故答案为：1：2．

点评：本题考查热化学方程式，化学平衡常数、化学平衡影响因素分析，原电池原理的分析应用，比较综合，题目难度中等．