Question

10．環境問題已經成為世界上越來越重要的議題，其中大氣污染主要有硫的氧化物和氮的氧化物，工業生產是其原因之一，同時工業上通常也用下列方法來治理污染．
（1）煙氣中含有SO₂等大量有害的物質，煙氣除硫的方法有多種，其中石灰石法煙氣除硫工藝的主要反應如下：
Ⅰ．CaCO₃（s）?CO₂（g）+CaO（s）△H=+178.2kJ/mol
Ⅱ．SO₂（g）+CaO（s）?CaSO₃（s）△H=-402kJ/mol
Ⅲ.2CaSO₃（s）+O₂（g）+4H₂O（l）?2（s）△H=-234.2kJ/mol
試寫出由石灰石、二氧化硫、氧氣和水反應生成生石膏的熱化學方程式2CaCO₃（s）+O₂（g）+2SO₂（g）+4H₂O（l）?2[CaSO₄.2H₂O]（s）+2CO₂（g）△H=-681.8kJ/mol．

（2）用NH₃還原NO_x生成N₂和H₂O．現有NO、NO₂的混合氣體3L，可用同溫同壓下3.5L的NH₃恰好使其完全轉化為N₂，則原混合氣體中NO和NO₂的物質的量之比為1：3．
（3）氨催化氧化是硝酸工業的基礎，反應原理為：4NH₃（g）+5O₂（g）?4NO（g）+6H₂O（g）實際生產中，還會發生此反應：4NH₃+3O₂?N₂+6H₂O，在1L的密閉容器中加入l mol NH₃和1.5mol O₂的反應過程中，有關溫度與各物質的量關系如圖1所示：
①已知400℃時，混合氣體中NH₃、N₂、NO的物質的量比為5：6：3，則圖象中x=0.3．
②NH₃生成N₂的反應屬于放熱反應（填“吸熱反應”或“放熱反應”），溫度高于840℃后，各物質的物質的量發生如圖所示變化的原因可能是可能是氨氣高溫分解生成氮氣和氫氣，使氨氣氧化生成NO平衡向左移動；NO高溫分解生成氮氣和氧氣；氨氣和NO反應生成氮氣和水．
（4）電化學降解治理水中硝酸鹽污染．在酸性條件下，電化學降解NO₃^-的原理如圖2所示，陰極反應式為2NO₃^-+12 H⁺+10e^-=N₂↑+6H₂O．假設降解前兩極溶液質量相等，當電路中有2mol電子通過時，此時兩極溶液質量的差值為14.4g．

Answer 1

分析 （1）石灰石、二氧化硫、氧氣和水反應生成生石膏的反應為2CaCO₃（s）+O₂（g）+2SO₂（g）+4H₂O（l）?2[CaSO₄.2H₂O]（s）+2CO₂（g），根據蓋斯定律，該反應等于①×2+②×2+③，計算△H；
（2）氮氧化物與氨氣發生的反應是氧化還原反應，氮氧化物把氨氣氧化為氮氣，本身被還原為氮氣，可以利用反應方程式通過設未知列方程組計算；也可以根據氧化還原反應的電子守恒計算；也可以利用平均值法計算；
（3）①在上述1L的密閉容器中加入l mol NH₃和1.5mol O₂的反應過程中還發生4NH₃+3O₂?N₂+6H₂O反應，400℃時，混合氣體中NH₃、N₂、NO的物質的量比為5：6：3，結合氮元素守恒計算x；
②氨氣和氧氣的反應為放熱反應，溫度高于840℃后，各物質的物質的量發生變化，NO減小，氮氣增加，結合化學平衡影響因素分析判斷；
（4）陰極反應是NO₃^-得電子發生還原反應生成N₂，利用電荷守恒與原子守恒知有水生成；轉移2mol電子時，陽極（陽極反應為H₂O失電子氧化為O₂和H⁺）消耗1mol水，產生2molH⁺進入陰極室，陽極室質量減少18g；陰極室中放出0.2molN₂（5.6g），同時有2molH⁺（2g）進入陰極室．

解答 解：（1）石灰石、二氧化硫、氧氣和水反應生成生石膏的反應為2CaCO₃（s）+O₂（g）+2SO₂（g）+4H₂O（l）?2[CaSO₄.2H₂O]（s）+2CO₂（g），根據蓋斯定律，該反應等于①×2+②×2+③，計算△H=+178.2ײ⁺（-402）×2+（-234.2）=-681.8kJ/mol，
故答案為：2CaCO₃（s）+O₂（g）+2SO₂（g）+4H₂O（l）?2[CaSO₄.2H₂O]（s）+2CO₂（g）△H=-681.8kJ/mol；
（2）根據反應可知：氨氣被氧化為氮氣，NH₃～N₂～3e^-；一氧化氮被還原為氮氣，NO～N₂～2e^-二氧化氮被還原為氮氣NO₂～N₂～4e^-
設一氧化氮體積為x，二氧化氮體積為3-x，氨氣的體積為3.5L，根據電子守恒可知：3.5L×3=2x+4×（3-x），x=0.75L，二氧化氮體積為2.25L，則相同條件下，混合氣體中NO和NO₂的體積比等于物質的量之比=0.75：2.25=1：3；
故答案為：1：3；
（3）①在上述1L的密閉容器中加入l mol NH₃和1.5mol O₂的反應過程中還發生4NH₃+3O₂?N₂+6H₂O反應，已知400℃時，混合氣體中NH₃、N₂、NO的物質的量比為5：6：3，結合氮元素守恒計算，5y+6y×2+3y=1
y=0.05
氮氣物質的量=6y=0.05mol×6=0.3mol，
x=0.3
故答案為：0.3；
②上述計算分析可知，NH₃生成NO和N₂的反應分別屬于放熱反應，溫度高于840℃后，各物質的物質的量發生如圖所示變化，NO減小，N₂物質的量增大，可能是氨氣高溫分解生成氮氣和氫氣，使氨氣氧化生成NO平衡向左移動；NO高溫分解生成氮氣和氧氣；氨氣和NO反應生成氮氣和水，
故答案為：放熱反應；可能是氨氣高溫分解生成氮氣和氫氣，使氨氣氧化生成NO平衡向左移動；NO高溫分解生成氮氣和氧氣；氨氣和NO反應生成氮氣和水；
（4）在陰極反應是NO₃^-得電子發生還原反應生成N₂，利用電荷守恒與原子守恒知有H₂O生成，所以陰極上發生的電極反應式為：2NO₃^-+12 H⁺+10e^-=N₂↑+6H₂O，轉移2mol電子時，陽極（陽極反應為H₂O失電子氧化為O₂和H⁺）消耗1mol水，產生2molH⁺進入陰極室，陽極室質量減少18g；陰極室中放出0.2molN₂（5.6g），同時有2molH⁺（2g）進入陰極室，因此陰極室質量減少3.6g，故膜兩側電解液的質量變化差（△m左-△m右）=18g-3.6g=14.4g，
故答案為：2NO₃^-+12 H⁺+10e^-=N₂↑+6H₂O；14.4．

點評 本題考查電解原理、電極反應式書寫、電解計算等知識點，要注意該題中陰極室有氫離子進入，易漏掉，為易錯點．