Question

选择性催化还原法（SCR）烟气脱硝技术是一种成熟的NO_x控制处理方法．这种方法是指在有氧条件下且合适的温度范围内，用还原剂NH₃在催化剂的作用下将NO_x有选择性地还原为氮气和水，主要反应式如下：
反应Ⅰ：□NH₃（g）+4NO（g）+O₂（g）=□N₂（g）+□H₂O（g）△H₁=a kJ?mol^-1
反应Ⅱ：4NH₃（g）+2NO₂（g）+O₂（g）=3N₂（g）+6H₂O（g）△H₂=b kJ?mol^-1
当反应温度过高时，会发生以下副反应：
反应Ⅲ：2NH₃（g）+2O₂（g）=N₂O（g）+3H₂O（g）△H₃=c kJ?mol^-1
反应Ⅳ：4NH₃（g）+5O₂（g）=4NO（g）+6H₂O（g）△H₄=d kJ?mol^-1
请回答下列问题：
（1）配平反应Ⅰ的化学方程式：

 

NH₃（g）+4NO（g）+O₂（g）?N₂（g）+

 

H₂O（g）．
（2）研究反应Ⅱ的平衡常数（K）与温度（T）的关系，得到如图1所示的关系．
 ①反应Ⅱ的平衡常数表达式为

 

．
②反应Ⅱ能够自发进行的反应条件是

 

．
（3）反应2NO（g）+O₂（g）2NO₂（g）的△H=

 

kJ?mol^-1 （用含a、b、d的式子表示）．
（4）为研究NH₃选择性催化还原脱硝的反应条件，某科研小组通过一系列实验，分别得出脱硝率与温度、氨氮比的关系[其中NH₃/NO_x表示氨氮比，O₂%表示氧气含量]．
①图2中，当温度高于405℃后，NO_x的脱除率会逐渐减小，原因是

 

．
②图3中，最佳氨氮比为2.0，理由是

 

．
（5）请在图4中，用实线画出不使用催化剂情况下（其他条件完全相同）的图示．

Answer 1

考点：探究浓度、催化剂对化学平衡的影响,有关反应热的计算,氧化还原反应方程式的配平,化学平衡常数的含义

专题：

分析：（1）根据得失电子数守恒来配平；
（2）①平衡常数K等于生成物的平衡浓度的幂之积比上反应物平衡浓度的幂之积；
②根据图象可知，反应吸热，而且由反应方程式可知，反应是熵增的反应，据此分析；
（3）根据盖斯定律来解答；
（4）①根据题目所给的信息可知，当温度过高时，会发生副反应；
②氨氮比从2.0到2.2，脱销率变化不大；
（5）使用催化剂，对平衡无影响．

解答： 解：（1）在反应NH₃（g）+4NO（g）+O₂（g）=□N₂（g）+□H₂O中，有两种元素、三种物质发生化合价变化：NH₃中氮元素由-3价变为0价，化合价升高；NO中氮元素由+2价变为0价，氧气中氧元素由0价变为-2价，均得电子发生还原反应，根据得失电子数守恒和原子守恒来配平可得：4NH₃（g）+4NO（g）+O₂（g）=4N₂（g）+6H₂O，
故答案为：4；6；
（2）①平衡常数K等于生成物的平衡浓度的幂之积比上反应物平衡浓度的幂之积，故反应Ⅱ的平衡常数表达式为K=

C3(N2)?C6(H2O)

C4(NH3)?C2(NO2)?C(O2)

，
故答案为：K=

C3(N2)?C6(H2O)

C4(NH3)?C2(NO2)?C(O2)

；
②根据图象可知，温度升高，K值增大，故说明反应吸热，即△H＞0；而且由反应方程式可知，反应的分子数增多，故是熵增的反应，△S＞0，故要使G=△H-T?△S＜0，必须在高温条件下，故答案为：高温；
（3）根据盖斯定律可知：将I×

3

4

-II+IV×

1

4

即得反应：2NO（g）+O₂（g）=2NO₂（g）△H=a×

3

4

-b+d×

1

4

=

3a-4b+d

4

kJ/mol，故答案为：

3a-4b+d

4

；
（4）①根据题目所给的信息可知，当温度过高时，NH₃会与氧气发生副反应生成N₂O、NO，导致NO_x的脱除率会逐渐减小，故答案为：当温度过高时，NH₃会与氧气发生副反应生成N₂O、NO；
②氨氮比从2.0到2.2，脱销率变化不大，但氨的浓度增加较大，会导致生产成本提高，得不偿失，故答案为：氨氮比从2.0到2.2，脱销率变化不大，但氨的浓度增加较大，会导致生产成本提高；
（5）使用催化剂，只能加快反应速率从而缩短到达平衡的时间，对平衡状态无影响．由于横坐标是氧气含量，纵坐标是脱硝率，在其他条件相同的前提下，是否使用催化剂对平衡点无影响，故所作出的图与原图一致，故答案为：．

点评：本题考查了根据得失电子数守恒来配平氧化还原反应、盖斯定律的应用、平衡常数的表达式的书写和反应自发进行的判断，综合性较强，难度适中．