Question

10．环境问题已经成为世界上越来越重要的议题，其中大气污染主要有硫的氧化物和氮的氧化物，工业生产是其原因之一，同时工业上通常也用下列方法来治理污染．
（1）烟气中含有SO₂等大量有害的物质，烟气除硫的方法有多种，其中石灰石法烟气除硫工艺的主要反应如下：
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
试写出由石灰石、二氧化硫、氧气和水反应生成生石膏的热化学方程式2CaCO₃（s）+O₂（g）+2SO₂（g）+4H₂O（l）?2[CaSO₄.2H₂O]（s）+2CO₂（g）△H=-681.8kJ/mol．

（2）用NH₃还原NO_x生成N₂和H₂O．现有NO、NO₂的混合气体3L，可用同温同压下3.5L的NH₃恰好使其完全转化为N₂，则原混合气体中NO和NO₂的物质的量之比为1：3．
（3）氨催化氧化是硝酸工业的基础，反应原理为：4NH₃（g）+5O₂（g）?4NO（g）+6H₂O（g）实际生产中，还会发生此反应：4NH₃+3O₂?N₂+6H₂O，在1L的密闭容器中加入l mol NH₃和1.5mol O₂的反应过程中，有关温度与各物质的量关系如图1所示：
①已知400℃时，混合气体中NH₃、N₂、NO的物质的量比为5：6：3，则图象中x=0.3．
②NH₃生成N₂的反应属于放热反应（填“吸热反应”或“放热反应”），温度高于840℃后，各物质的物质的量发生如图所示变化的原因可能是可能是氨气高温分解生成氮气和氢气，使氨气氧化生成NO平衡向左移动；NO高温分解生成氮气和氧气；氨气和NO反应生成氮气和水．
（4）电化学降解治理水中硝酸盐污染．在酸性条件下，电化学降解NO₃^-的原理如图2所示，阴极反应式为2NO₃^-+12 H⁺+10e^-=N₂↑+6H₂O．假设降解前两极溶液质量相等，当电路中有2mol电子通过时，此时两极溶液质量的差值为14.4g．

Answer 1

分析 （1）石灰石、二氧化硫、氧气和水反应生成生石膏的反应为2CaCO₃（s）+O₂（g）+2SO₂（g）+4H₂O（l）?2[CaSO₄.2H₂O]（s）+2CO₂（g），根据盖斯定律，该反应等于①×2+②×2+③，计算△H；
（2）氮氧化物与氨气发生的反应是氧化还原反应，氮氧化物把氨气氧化为氮气，本身被还原为氮气，可以利用反应方程式通过设未知列方程组计算；也可以根据氧化还原反应的电子守恒计算；也可以利用平均值法计算；
（3）①在上述1L的密闭容器中加入l mol NH₃和1.5mol O₂的反应过程中还发生4NH₃+3O₂?N₂+6H₂O反应，400℃时，混合气体中NH₃、N₂、NO的物质的量比为5：6：3，结合氮元素守恒计算x；
②氨气和氧气的反应为放热反应，温度高于840℃后，各物质的物质的量发生变化，NO减小，氮气增加，结合化学平衡影响因素分析判断；
（4）阴极反应是NO₃^-得电子发生还原反应生成N₂，利用电荷守恒与原子守恒知有水生成；转移2mol电子时，阳极（阳极反应为H₂O失电子氧化为O₂和H⁺）消耗1mol水，产生2molH⁺进入阴极室，阳极室质量减少18g；阴极室中放出0.2molN₂（5.6g），同时有2molH⁺（2g）进入阴极室．

解答 解：（1）石灰石、二氧化硫、氧气和水反应生成生石膏的反应为2CaCO₃（s）+O₂（g）+2SO₂（g）+4H₂O（l）?2[CaSO₄.2H₂O]（s）+2CO₂（g），根据盖斯定律，该反应等于①×2+②×2+③，计算△H=+178.2ײ⁺（-402）×2+（-234.2）=-681.8kJ/mol，
故答案为：2CaCO₃（s）+O₂（g）+2SO₂（g）+4H₂O（l）?2[CaSO₄.2H₂O]（s）+2CO₂（g）△H=-681.8kJ/mol；
（2）根据反应可知：氨气被氧化为氮气，NH₃～N₂～3e^-；一氧化氮被还原为氮气，NO～N₂～2e^-二氧化氮被还原为氮气NO₂～N₂～4e^-
设一氧化氮体积为x，二氧化氮体积为3-x，氨气的体积为3.5L，根据电子守恒可知：3.5L×3=2x+4×（3-x），x=0.75L，二氧化氮体积为2.25L，则相同条件下，混合气体中NO和NO₂的体积比等于物质的量之比=0.75：2.25=1：3；
故答案为：1：3；
（3）①在上述1L的密闭容器中加入l mol NH₃和1.5mol O₂的反应过程中还发生4NH₃+3O₂?N₂+6H₂O反应，已知400℃时，混合气体中NH₃、N₂、NO的物质的量比为5：6：3，结合氮元素守恒计算，5y+6y×2+3y=1
y=0.05
氮气物质的量=6y=0.05mol×6=0.3mol，
x=0.3
故答案为：0.3；
②上述计算分析可知，NH₃生成NO和N₂的反应分别属于放热反应，温度高于840℃后，各物质的物质的量发生如图所示变化，NO减小，N₂物质的量增大，可能是氨气高温分解生成氮气和氢气，使氨气氧化生成NO平衡向左移动；NO高温分解生成氮气和氧气；氨气和NO反应生成氮气和水，
故答案为：放热反应；可能是氨气高温分解生成氮气和氢气，使氨气氧化生成NO平衡向左移动；NO高温分解生成氮气和氧气；氨气和NO反应生成氮气和水；
（4）在阴极反应是NO₃^-得电子发生还原反应生成N₂，利用电荷守恒与原子守恒知有H₂O生成，所以阴极上发生的电极反应式为：2NO₃^-+12 H⁺+10e^-=N₂↑+6H₂O，转移2mol电子时，阳极（阳极反应为H₂O失电子氧化为O₂和H⁺）消耗1mol水，产生2molH⁺进入阴极室，阳极室质量减少18g；阴极室中放出0.2molN₂（5.6g），同时有2molH⁺（2g）进入阴极室，因此阴极室质量减少3.6g，故膜两侧电解液的质量变化差（△m左-△m右）=18g-3.6g=14.4g，
故答案为：2NO₃^-+12 H⁺+10e^-=N₂↑+6H₂O；14.4．

点评 本题考查电解原理、电极反应式书写、电解计算等知识点，要注意该题中阴极室有氢离子进入，易漏掉，为易错点．