Question

【题目】燃煤烟气的脱硫脱硝是目前研究的热点。

（1）用CH4催化还原氮氧化物可以消除氮氧化物的污染。已知：

①CH4(g)+4NO2(g)= 4NO(g)+CO2(g)+2H2O(g) △H= -574 kJmol-1

②CH4(g)+4NO(g)= 2N2(g)+CO2(g)+2H2O(g) △H= -1160 kJmol-1

③H2O(g) = H2O(l) △H= -44 kJmol-1

写出CH4(g)与NO2(g)反应生成N2(g)、CO2(g)和H2O( l ) 的热化学方程式_____________。

（2）某科研小组研究臭氧氧化--碱吸收法同时脱除SO2和NO工艺，氧化过程反应原理及反应热、活化能数据如下：

反应Ⅰ：NO(g)+ O3(g) NO2(g)+O2(g) △H1 = -200.9 kJmol-1 Ea1 = 3.2 kJmol-1

反应Ⅱ：SO2(g)+ O3(g) SO3(g)+O2(g) △H2 = -241.6 kJmol-1 Ea2 = 58 kJmol-1

已知该体系中臭氧发生分解反应：2O3(g) 3O2(g)。请回答：

其它条件不变，每次向容积为2L的反应器中充入含1.0 mol NO、1.0 mol SO2的模拟烟气和2.0 mol O3，改变温度，反应相同时间t后体系中NO和SO2的转化率如图所示：

①由图1可知相同温度下NO的转化率远高于SO2，结合题中数据分析其可能原因_______。

②下列说法正确的是________。

A．P点一定为平衡状态点

B．温度高于200℃后，NO和SO2的转化率随温度升高显著下降、最后几乎为零

C．其它条件不变，若缩小反应器的容积可提高NO和SO2的转化率

D．臭氧氧化过程不能有效地脱除SO2，但后续步骤碱吸收可以有效脱硫

③假设100℃时P、Q均为平衡点，此时反应时间为10分钟，发生分解反应的臭氧占充入臭氧总量的10%，则体系中剩余O3的物质的量是________mol；NO的平均反应速率为________；反应Ⅱ在此时的平衡常数为_______________。

（3）用电化学法模拟工业处理SO2。将硫酸工业尾气中的SO2通入如图装置（电极均为惰性材料）进行实验，可用于制备硫酸，同时获得电能：

①M极发生的电极反应式为___________________。

②质子交换膜右侧的溶液在反应后pH________（填“增大”、“减小”、“不变”）。

③当外电路通过0.2 mol电子时，质子交换膜左侧的溶液质量______（填“增大”或“减小”）_______克。

Answer 1

【答案】 CH4(g)+2NO2(g)= N2(g)+CO2(g)+2H2O(l) △H=-955 kJ/mol 反应Ⅰ的活化能小于反应Ⅱ，相同条件下更易发生反应 BCD 0.65 0.0425mol/(L.min) 0.96 SO2+2H2O-2e- =SO42- +4H+ 增大 增大 6.2

【解析】(1)CH4(g)与NO2(g)反应生成N2(g)、CO2(g)和H2O(l)的化学方程式为：CH4(g)+2NO2(g)=N2(g)+CO2(g)+2H2O(1)。已知：①CH4(g)+4NO2(g)=4NO(g)+CO2(g)+2H2O(g)△H=-574kJmol-1，②CH4(g)+4NO(g)=2N2(g)+CO2(g)+2H2O(g)△H=-1160kJmol-1，③H2O(g)=H2O(l)△H=-44.0kJmol-1，将可得：CH4(g)+2NO2(g)=N2(g)+CO2(g)+2H2O(1)，△H==-955kJ/mol，故答案为：CH4(g)+2NO2(g)=N2(g)+CO2(g)+2H2O(1)，△H=-955kJmol-1；

(2)①反应Ⅰ的活化能小于反应Ⅱ，相同条件下更易发生反应，因此相同温度下NO的转化率远高于SO2，故答案为：反应Ⅰ的活化能小于反应Ⅱ，相同条件下更易发生反应；

②A．随着反应的进行，反应物的转化率逐渐增大，因此P点不一定为平衡状态点，可能是建立平衡过程中的一个点，故A错误；B．根据图像，温度高于200℃后，NO和SO2的转化率随温度升高显著下降、最后几乎为零，故B正确；C．根据2O3(g) 3O2(g)，其它条件不变，若缩小反应器的容积，平衡逆向移动，使得臭氧的浓度增大，反应I和反应II的平衡正向移动，NO和SO2的转化率增大，故C正确；D．根据图像，臭氧氧化过程中二氧化硫的转化率较低，不能有效地脱除SO2，二氧化硫是碱性氧化物，能够被氢氧化钠溶液吸收，故D正确；故选BCD；

③假设100℃时P、Q均为平衡点，此时反应时间为10分钟，发生分解反应的臭氧占充入臭氧总量的10%，发生分解反应的臭氧为2mol×10%=0.2mol，根据反应Ⅰ：NO(g)+ O3(g) NO2(g)+O2(g)，平衡时NO的转化率为85%，反应的臭氧为1mol×85%=0.85mol；反应Ⅱ：SO2(g)+ O3(g) SO3(g)+O2(g) ，平衡时二氧化硫的转化率为30%，反应的臭氧为1mol×30%=0.30mol；最终剩余臭氧2mol-0.2mol-0.85mol-0.30mol=0.65mol；10min内NO的平均反应速率==0.0425mol/(L·min)；平衡时SO2、 O3、 SO3、O2的物质的量分别为0.7mol、0.65mol、0.3mol、0.2mol×+0.85mol+0.3mol=1.45mol，反应Ⅱ在此时的平衡常数==0.96，故答案为：0.65；0.0425mol/(L·min)；0.96；

(3)①该装置是原电池，反应原理为二氧化硫、氧气和水反应生成硫酸，通入氧气的N电极是正极，原电池放电时，氢离子由负极移向正极，正极上氧气得电子和氢离子反应生成水，电极反应式为：O2+4e-+4H+=2H2O，负极M上，二氧化硫失电子和水反应生成硫酸，电极反应式为：SO2-2e-+2H2O=4H++SO42-，故答案为：SO2-2e-+2H2O=4H++SO42-；

②质子交换膜右侧为正极区，正极上氧气得电子和氢离子反应生成水，溶液中的氢离子浓度减小，pH增大，故答案为：增大；

③质子交换膜左侧为负极区，负极上，二氧化硫失电子和水反应生成硫酸，电极反应式为：SO2-2e-+2H2O=4H++SO42-，当外电路通过0.2 mol电子时，生成0.4mol氢离子，有2mol氢离子通过质子交换膜移向右侧，左侧的溶液质量增大64g/mol×0.1mol-0.2mol×1g/mol=6.2g，故答案为：增大；6.2。