Question

6．当前我国环境状况不荣乐观，其中PM2.5、CO、SO₂、NO_x等污染物对空气质量的影响非常显著，其主要来源为燃煤、机动车尾气等，因此，对其进行研究具有重要意义，请回答下列问题：
（1）对某地PM2.5样本用蒸馏水处理后，测得该试样所含水溶性无机离子的化学组分及其平均浓度如下表：

离子	K+	Na+	NH4+	SO42-	NO3-	Cl-
浓度/mol•L-1	4×10-6	6×10-6	2×10-5	4×10-5	3×10-5	2×10-5

根据表中数据计算该试样的pH=4．
（2）NO_x是汽车尾气的主要污染物之一．汽车发动机工作时会引发N₂和O₂反应，其能量变化示意图1如下：
①写出N₂和O₂反应的热化学方程式N₂（g）+O₂（g）=2NO（g）△H=-120kJ•mol^-1．
②处理尾气时，加装催化转化装置使NO_x与CO转变为无污染的气体排放，请写出该反应的化学方程式2NO_x+2xCO$\frac{\underline{\;催化剂\;}}{\;}$N₂+2xCO₂
③有人设想将CO按下列反应除去：2CO（g）=2C（s）+O₂（g）△H＞0，请你分析该设想能否实现？不能（填“是”或“否”），依据是该反应是焓增、熵减的反应，根据G=△H-T•△S，G＞0．
④另有人认为以如图2所示原电池原理也可以除去CO，则其正极反应式为O₂+2CO₂+4e^-=2CO₃^2-．容器中的CO₃^2-离子A极移动（填“A”或“B”）．

（3）利用I₂O₅消除CO污染的反应为：5CO（g）+I₂O₅（s）?5CO₂（g）+I₂（s），不同温度下，向装有足量I₂O₅固体的2L恒容密闭容器中通入2mol　CO，测得CO₂的体积分数随时间t变化曲线如图3．请回答下列问题：
①T1时化学平衡常数K=1024
②下列说法正确的是AD（填字母序号）．
A．容器内气体密度不变，表明反应达到平衡状态
B．该反应的△H＞0
C．d点时，向恒容容器中充入2molCO，再次平衡后，CO₂的含量增大．
D．T₁与T₂化学平衡常数大小关系：K（T₁）＞K（T₂）

Answer 1

分析 （1）根据溶液中电荷守恒计算；
（2）①根据能量变化图计算反应热，反应热=反应物的键能和-生成物的键能和，从而书写热化学方程式；
②尾气处理主要把NO_X与CO转化为无毒物质，五毒物质即氮气和二氧化碳；
③根据△G=△H-T•△S判断反应能否自发进行，如果△G＜0，反应能自发进行，△G＞0，反应不能自发进行；
④为燃料电池，氧气在正极得到电子，据此书写电极反应方程式；
（3）①根据b点时CO₂的体积分数φ（CO₂）求出CO和CO₂的平衡浓度进而求出T₁时化学平衡常数K；
②A、因为条件为恒容，而反应前后气体质量变化，所以容器内气体密度是变量，当不变时表明反应达到平衡状态；
B、由于T₂首先出现拐点，故温度T₂＞T₁，温度越高，二氧化碳体积分数越少，说明此反应为放热反应；
C、此反应特点为前后气体体积不变的反应，据此解答即可；
D、b点比d点时生成物CO₂体积分数大，说明进行的程度大，则化学平衡常数：K_b＞K_d．

解答 解：（1）溶液中电荷守恒：c（K⁺）+c（NH₄⁺）+c（Na⁺）+c（H⁺）=2c（SO₄^2-）+c（NO₃^-）+c（Cl^-）+c（OH^-）和K_W，得c（H⁺）=1×10^-4mol•L^-1，pH值为4，故答案为：4；
（2）①该反应中的反应热=反应物的键能和-生成物的键能和=1140-1260=-120kJ/mol，所以N₂和O₂反应生成NO的热化学反应方程式为N₂（g）+O₂（g）=2NO（g）△H=-120kJ•mol^-1；故答案为：N₂（g）+O₂（g）=2NO（g）△H=-120kJ•mol^-1；
②在催化剂作用下NO_X与CO反应生成无毒的CO₂和N₂，2NO_x+2xCO$\frac{\underline{\;催化剂\;}}{\;}$N₂+2xCO₂，故答案为：2NO_x+2xCO$\frac{\underline{\;催化剂\;}}{\;}$N₂+2xCO₂；
③根据△G=△H-T•△S判断反应能否自发进行，如果△G＜0，反应能自发进行，△G＞0，反应不能自发进行，2CO（g）=2C（s）+O₂（g），该反应是焓增、熵减的反应．根据G=△H-T•△S，G＞0，不能实现，故答案为：不能；该反应是焓增、熵减的反应，根据G=△H-T•△S，G＞0；
④此电池中电解质为熔融碳酸钾，正极通入的是氧气与二氧化碳的混合气体，发生反应为：O₂+2CO₂+4e^-=2CO₃^2-，原电池中阴离子在电解质中充当电子移向原电池的负极，故答案为：O₂+2CO₂+4e^-=2CO₃^2-；A；
（3）①T₁时：5CO（g）+I₂O₅（s）?5CO₂（g）+I₂（s）
起始量/mol    4                 0
转化量/mol    y                 y
b点量/mol    4-y                y
根据b点时CO₂的体积分数φ（CO₂）=$\frac{y}{4}$=0.80，得y=3.2mol，c（CO）=0.4mol•L^-1，c（CO₂）=1.6mol•L^-1
T₁时化学平衡常数K=$\frac{c（C{O}_{2}）^{5}}{c（CO）^{5}}$=$\frac{1．{6}^{5}}{0．{4}^{5}}$=1024，
故答案为：1024；
②A、因为条件为恒容，而反应前后气体质量变化，所以容器内气体密度不变时，表明反应达到平衡状态，故A正确；
B、由于T₂首先出现拐点，故温度T₂＞T₁，温度越高，二氧化碳体积分数越少，说明此反应为放热反应，故△H＜0，故B错误；
C、C、此反应特点为前后气体体积不变的反应，再加入2molCO，再次平衡后，CO₂的含量不变，故C错误；
D、b点比d点时生成物CO₂体积分数大，说明进行的程度大，则化学平衡常数：K_b＞K_d，即K（T₁）＞K（T₂）故D正确，
故答案为：AD．

点评 本题考查热化学反应方程式计算、化学平衡常数的相关计算、化学平衡移动原理，综合性很强，难度较大．