Question

11．研究NO_x、CO等大氣污染氣體的處理及利用的方法具有重要意義，可實現綠色環保、節能減排、廢物利用等目的．
（1）利用甲烷催化還原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
甲烷直接將NO₂還原為N₂的熱化學方程式為2NO₂（g）+CH₄（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-867kJ•mol^-1．
（2）已知等體積的一氧化碳和水蒸氣進入反應器時，發生如下反應：CO（g）+H₂O（g）?H₂（g）+CO₂（g），500℃時的平衡常數為9，若在該溫度下進行，設起始時CO和H₂O的起始濃度均為0.020mol•L^-1，則CO的平衡轉化率為：75%．
（3）用活化后的V₂O₅作催化劑，氨氣將NO還原成N₂的一種反應歷程如圖1所示．

①寫出總反應化學方程式4NH₃+4NO+O₂$\frac{\underline{\;V_{2}O_{5}\;}}{\;}$4N₂+6H₂O．
②測得該反應的平衡常數與溫度的關系為：lgK=5.08+217.5/T，該反應是_放熱反應（填“吸熱”或“放熱”）．
③該反應的含氮氣體組分隨溫度變化如圖2所示，當溫度達到700K時，發生副反應的化學方程式4NH₃+5O₂$\frac{\underline{催化劑}}{△}$4NO+6H₂O．
（4）圖3是用食鹽水做電解液電解煙氣脫氮的一種原理圖，NO被陽極產生的氧化性物質氧化為NO₃^-，尾氣經氫氧化鈉溶液吸收后排入空氣．如圖4，電流密度和溶液pH對煙氣脫硝的影響．

①NO被陽極產生的氧化性物質氧化為NO₃^-反應的離子方程式3Cl₂+8OH^-+2NO=2NO₃^-+6Cl^-+4H₂O．
②溶液的pH對NO去除率影響的原因是次氯酸鈉在酸性條件下氧化性增強．
③若極板面積10cm²，實驗煙氣含NO 1.5%，流速為0.070L•s^-1（氣體體積已折算成標準狀態，且煙氣中無其他氣體被氧化），法拉第常數為96500C•mol^-1，測得電流密度為1.0A•cm^-2．列式計算實驗中NO除去率$\frac{\frac{1.0A．c{m}^{-2}×1s×10c{m}^{2}}{96500c．mo{l}^{-1}×3}}{\frac{0.070L．{s}^{-1}×15%}{22.4L．mo{l}^{-1}}}$×100%=73.7%．

Answer 1

分析 （1）依據蓋斯定律計算反應熱，寫出反應的熱化學方程式；
（2）令CO的濃度變化為c，用三段式表示出各物質變化的濃度、平衡時的濃度，再根據平衡常數計算；
（3）①用V₂O₅作催化劑，NH₃可將NO還原成N₂，結合反應歷程圖可知反應物還有氧氣，生成物為N₂和H₂O，配平即得反應方程式；
②由該反應的平衡常數與溫度的關系lg Kp=5.08+217.5/T，平衡常數是溫度的減函數，即升高溫度，化學反應逆向移動，所以該反應是放熱反應；
③由圖2分析，當溫度達到700K時，與500K-600K比較，相同氨氣形成相同水的時，生成的N₂在減少，NO在增加，說明氨催化氧化生成了NO，故此時的副反應產物是NO．
（4）①食鹽水做電解液電解煙氣（Cl₂）脫氮，根據氧化還原反應的規律可得反應；
②次氯酸鈉在酸性條件下氧化性增強，故溶液的pH對NO去除率會有影響；
③根據電荷量（Q）=電流密度×極板面積×時間=n（e-）?F，可知NO除去率．

解答 解：（1）依據蓋斯定律將CH₄（g）+4NO₂（g）═4NO（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H1=-574kJ•mol^-1與CH₄（g）+4NO（g）═2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₂=-1160kJ•mol^-1兩方程式相加后再除以2，得2NO₂（g）+CH₄（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-867kJ•mol^-1，故答案為：2NO₂（g）+CH₄（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-867 kJ•mol^-1；
（2）對于反應  CO（g）+H₂O（g）   H₂（g）+CO₂（g），
開始（mol/L）：0.02       0.02                             0            0
變化（mol/L）：c              c                                c             c
平衡（mol/L）：0.02-c     0.02-c                          c              c
所以$\frac{c×c}{（0.02-c）×（0.02-c）}$=9，解得c=0.015
所以CO的轉化率為$\frac{0.015mol/L}{0.02mol/L}$×100%=75%．
故答案為：75%．
（3）①用V₂O₅作催化劑，NH₃可將NO還原成N₂，結合反應歷程圖可知反應物還有氧氣，生成物為N₂和H₂O，配平即得反應方程式為4NH₃+4NO+O₂$\frac{\underline{\;V_{2}O_{5}\;}}{\;}$4N₂+6H₂O，故答案為：4NH₃+4NO+O₂$\frac{\underline{\;V_{2}O_{5}\;}}{\;}$4N₂+6H₂O；
②平衡常數是溫度的減函數，則該反應是為放熱反應，故答案為：放熱；
③由圖2分析，當溫度達到700K時，生成的N₂在減少，NO在增加，說明氨催化氧化生成了NO，故此時的副反應是：4NH₃+5O₂ 4$\frac{\underline{催化劑}}{△}$NO+6H₂O，故答案為：4NH₃+5O₂ $\frac{\underline{催化劑}}{△}$4NO+6H₂O；
（4）①氯氣作氧化劑，NO為還原劑，在堿性條件下的反應為：3Cl₂+8OH^-+2NO=2NO₃^-+6Cl^-+4H₂O，故答案為：3Cl₂+8OH^-+2NO=2NO₃^-+6Cl^-+4H₂O；
②次氯酸鈉在酸性條件下氧化性增強，故溶液的pH對NO去除率會有影響，故答案為：次氯酸鈉在酸性條件下氧化性增強；
③根據電荷量（Q）=電流密度×極板面積×時間=n（e-）?F，NO除去率：$\frac{\frac{1.0A．c{m}^{-2}×1s×10c{m}^{2}}{96500c．mo{l}^{-1}×3}}{\frac{0.070L．{s}^{-1}×15%}{22.4L．mo{l}^{-1}}}$×100%=73.7%，故答案為：$\frac{\frac{1.0A．c{m}^{-2}×1s×10c{m}^{2}}{96500c．mo{l}^{-1}×3}}{\frac{0.070L．{s}^{-1}×15%}{22.4L．mo{l}^{-1}}}$×100%=73.7%．

點評 本題考查了蓋斯定律求反應熱、化學平衡常數及化學平衡移動的影響因素、氧化還原反應等，題目難度中等．