Question

6．二氧化硫和氮的氧化物是常用的化工原料，但也是大氣的主要污染物．綜合治理其污染是環境化學當前的重要研究內容之一．
（1）硫酸生產中，SO₂催化氧化生成SO₃：2SO₂（g）+O₂（g）$?_{△}^{催化劑}$2SO₃（g）
某溫度下，SO₂的平衡轉化率（a）與體系總壓強（p）的關系如圖1所示．根據圖示回答下列問題：
①將2.0mol SO₂和1.0mol O₂置于10L密閉容器中，反應達平衡后，體系總壓強為0.10MPa．該反應的平衡常數等于800．
②平衡狀態由A變到B時．平衡常數K（A）=K（B）（填“＞”、“＜”或“=”）．
③將1.5mol SO₂用氫氧化鈉溶液、石灰及氧氣處理后，假設硫元素不損失，理論上可得到258g石膏（CaSO₄•2H₂O）．
（2）用CH₄催化還原NO_x可以消除氮氧化物的污染．例如：
CH₄（g）+4NO₂（g）=4NO（g）+C0₂（g）+2H₂0（g）△H=-574kJ•mol^-1
CH₄（g）+4NO（g）=2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂0（g）△H=-1160kJ•mol^-1
若用標準狀況下4.48L CH₄還原NO₂至N₂整個過程中轉移的電子總數為1.60N_A（阿伏加德羅常數的值用N_A表示），放出的熱量為173.4kJ．
（3）新型納米材料氧缺位鐵酸鹽（MFe₂O_x 3＜x＜4，M=Mn、Co、Zn或Ni=由鐵酸鹽（MFe₂O₄）經高溫還原而得，常溫下，它能使工業廢氣中的酸性氧化物分解除去．轉化流程如圖2所示：請寫出MFe₂O_x分解SO₂的化學方程式：MFe₂O_x+SO₂→MFe₂O₄+S（不必配平）．
①常溫下用氧缺位鐵酸鋅ZnFe₂O_y可以消除NO_x污染，使NO_x轉變為N₂，同時ZnFe₂O_y轉變為ZnFe₂O₄．若2mol ZnFe₂O_y與足量NO₂可生成0.5mol N₂，則y=3．
②氧缺位鐵酸鋅ZnFe₂O_z化學式的氧化物形式為aZnO•bFeO•cFe₂O₃．已知1mol ZnFe₂O_z最多能使4.0L（標況）NO_1.4轉化為N₂．則上述氧化物形式的化學式可具體表示為4ZnO•2FeO•3Fe₂O₃．

Answer 1

分析 （1）①利用三段式法計算平衡濃度，根據平衡常數表達式計算；
②平衡常數只受溫度的影響，溫度不變，平衡常數不變；③根據S元素守恒n（CaSO₄•2H₂O）=n（SO₂），再根據m=nM計算石膏的質量；
（2）利用蓋斯定律計算反應熱；
（3）從氧化還原反應的角度判斷反應產物，進而寫出相關反應的方程式；
①依據氧化還原反應的電子守恒計算ZnFe₂O_y中Fe元素化合價，再根據化合物中的元素化合價代數為0計算y的值；
②依據氧化還原反應的電子守恒計算ZnFe₂O_z中Fe元素化合價，根據化合價確定+2Fe與+3價Fe的原子數目之比，據此書寫氧化物氧化物形式的化學式；再根據化合物中的元素化合價代數為0計算z的值，據此改寫．

解答 解：（1）①由圖象知，體系總壓強為0.10MPa時SO₂的平衡轉化率為0.8，則
       2SO₂（g）+O₂（g）  $?_{△}^{催化劑}$   2SO₃（g）
起始：2.0mol    1.0mol               0
轉化：1.6mol    0.8mol               1.6mol
平衡：0.4mol    0.2mol               1.6mol
則平衡時：c（SO₂）=0.04mol/L，c（O₂）=0.02mol/L，c（SO₃）=0.16mol/L，
K=$\frac{{c}^{2}（S{O}_{3}）}{{c}^{2}（S{O}_{2}）•c（{O}_{2}）}$=$\frac{0.1{6}^{2}}{0.0{4}^{2}×0.02}$=800，
故答案為：800；
②平衡常數只受溫度的影響，溫度不變，則壓強不變，平衡狀態由A變到B時，則k（A）=k（B），
故答案為：=；
③根據S元素守恒n（CaSO₄•2H₂O）=n（SO₂）=1.5mol，故石膏的質量為1.5mol×172g/mol=258g，
故答案為：258；
（2）已知：①CH₄（g）+4NO₂（g）=4NO（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）；△H=-574kJ/mol
②CH₄（g）+4NO（g）=2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）；△H=-1160kJ/mol
利用蓋斯定律將$\frac{①+②}{2}$可得：CH₄（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）；△H=-867kJ/mol
n（CH₄）=$\frac{4.48L}{22.4L/mol}$=0.2mol，
整個過程中轉移的電子總數為：0.20mol×8N_A=1.60N_A，
放出的熱量為：0.2mol×867kJ/mol=173.4kJ，
故答案為：1.60N_A（或1.6N_A）；173.4；
（3）由題意可知，鐵酸鹽（MFe₂O₄）經高溫還原而得，則反應物中MFe₂O_x為還原劑，SO₂為氧化劑，生成物為MFe₂O₄和S，則反應的關系式為MFe₂O_x+SO₂→MFe₂O₄+S，
故答案為：MFe₂O_x+SO₂→MFe₂O₄+S；
①2mol ZnFe₂O_y與足量NO₂可生成0.5mol N₂，則ZnFe₂O_y被還原為ZnFe₂O₄，令ZnFe₂O_y中鐵元素的化合價為a，根據電子轉移守恒，可知2mol×2×（3-a）=0.5mol×2×4，解得a=2，化合價代數和為0，則2+2×2=2y，解得y=3，故答案為：3；
②1molZnFe₂O_z最多能使4.0L（標況）NO_1.4轉化為N₂，則ZnFe₂O_z被還原為ZnFe₂O₄，令ZnFe₂O_z中鐵元素的化合價為b，根據電子轉移守恒，可知1mol×2×（3-b）=$\frac{4L}{22.4L/mol}$×2.8，解得b=2.75，令+2Fe與+3價Fe的原子數目之比為m：n，根據平均化合價，則2m+3n=2.75m+2.75n，整理得m：n=1：3，氧化物化學式為aZnO•2FeO•3Fe₂O₃，化學式中n（Fe）=2n（Zn），故a=4，即氧缺位鐵酸鋅ZnFe₂O_z的氧化物形式為4ZnO•2FeO•3Fe₂O₃，故答案為：4ZnO•2FeO•3Fe₂O₃．

點評 本題以消除NO_x污染治理為載體，考查化學平衡常數、氧化還原反應計算、根據方程式的計算等，題目計算量較大，數據繁瑣，是對學生心理素質的考驗，難度較大，為易錯題．