Question

2．PM2.5是连续雾霾过程影响空气质量最显著的污染物，其主要来源为燃煤、机动车尾气等．因此，对PM2.5、SO₂、NO_x等进行研究具有重要意义．请回答下列问题：
（1）将PM2.5样本用蒸馏水处理制成待测试样．测得该试样所含水溶性无机离子的化学组分及其平均浓度如下表：

离子	K+	Na+	NH4+	SO42-	NO3-	Cl-
浓度/mol•L-1	4×10-6	6×10-6	2×10-5	4×10-5	3×10-5	2×10-5

根据表中数据计算PM2.5试样的pH4．
（2）NO_x 汽车尾气的主要污染物之一．汽车发动机工作时会引发N₂和O₂反应，其能量变化示意图如下：
则N₂和O₂反应生成NO的热化学反应方程式为N₂（g）+O₂（g）=2NO（g）△H=+184kJ•mol^-1
（3）碘循环工艺不仅能吸收SO₂降低环境污染，同时又能制得氢气，具体流程如下：
①用离子方程式表示反应器中发生的反应：SO₂+I₂+2H₂O=SO₄^2-+2I^-+4H⁺
②将生成的氢气与氧气分别通入两个多孔惰性电极，KOH溶液作为电解质溶液，负极的电极反应式H₂-2e^-+2OH^-=2H₂O
（4）为了改善环境，中国政府承诺，到2020年，单位GDP二氧化碳排放比2005年下降40%～50%．
①有效“减碳”的手段之一是节能，下列制氢方法最节能的是C（填序号）．
A．电解水制氢：2H₂O$\frac{\underline{\;电解\;}}{\;}$2H₂↑+O₂↑B．高温使水分解制氢：2H₂O（g）$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$2H₂+O₂
C．太阳光催化分解水制氢：2H₂O$\frac{\underline{\;\;\;TiO_{2}\;\;\;}}{太阳能}$2H₂↑+O₂↑
D．天然气制氢：CH₄+H₂O（g）$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$CO+3H₂
②CO₂可转化成有机物实现碳循环．在体积为1L的密闭容器中，充入1mol CO₂和3mol H₂，一定条件下反应：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）；△H=-49.0kJ•mol^-1，测得CO₂和CH₃OH（g）浓度随时间变化如图所示．从3min到9min，v（H₂）=0.125mol•L^-1•min^-1．

③能说明上述反应达到平衡状态的是D（填编号）．
A．反应中CO₂与CH₃OH的物质的量浓度之比为1：1
（即图中交叉点）
B．混合气体的密度不随时间的变化而变化
C．单位时间内消耗3mol H₂，同时生成1mol H₂O
D．CO₂的体积分数在混合气体中保持不变
④工业上，CH₃OH也可由CO和H₂合成．参考合成反应CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）的平衡常数．下列说法正确的是AC．

温度/℃	0	100	200	300	400
平衡常数	667	13	1.9×10-2	2.4×10-4	1×10-5

A．该反应正反应是放热反应
B．该反应在低温下不能自发进行，高温下可自发进行
C．在T℃时，1L密闭容器中，投入0.1mol CO和0.2mol H₂，达到平衡时，CO转化率为50%，则此时的平衡常数为100
D．工业上采用稍高的压强（5MPa）和250℃，是因为此条件下，原料气转化率最高．

Answer 1

分析 （1）根据溶液中电荷守恒计算；
（2）根据能量变化图计算反应热，反应热=反应物的键能和-生成物的键能和，从而书写热化学方程式；
（3）①从流程图可知，在反应器中，I₂氧化SO₂，生成硫酸和HI；
②KOH溶液作为电解质溶液，负极为氢气失电子发生氧化反应的过程，据此书写；
（4）①太阳能是取之不尽用之不竭的能源；
②v（H₂）=3v（CO₂）=$\frac{△c}{△t}$计算；
③可根据化学平衡状态的概念和化学平衡状态的特征“等”和“定”来分析解答；
④A、依据平衡常数随温度变化和平衡移动原理分析判断；
B、根据△G=△H-T△S＜0自发，△G=△H-T△S＞0非自发判断；
C、结合平衡三段式列式计算，平衡常数等于生成物平衡浓度幂次方乘积除以反应物平衡浓度幂次方乘积；
D、此条件是催化剂活性最大，升温平衡逆向进行．

解答 解：（1）溶液中电荷守恒：C（K⁺）+C（NH₄⁺）+c（Na⁺）+C（H⁺）=2C（SO₄^2-）+C（NO₃^-）+C（Cl^-）+c（OH^-）和K_W，得C（H⁺）=1×10^-4mol•L^-1，pH值为4，
故答案为：4；
（2）该反应中的反应热=反应物的键能和-生成物的键能和=（946+498）kJ/mol-2×630kJ/mol=+184kJ/mol，所以N₂和O₂反应生成NO的热化学反应方程式为N₂（g）+O₂（g）=2NO（g）△H=+184kJ•mol^-1；
故答案为：N₂（g）+O₂（g）=2NO（g）△H=+184kJ•mol^-1；
（3）①从流程图可知，在反应器中，I₂氧化SO₂，生成硫酸和HI，反应方程式为SO₂+I₂+2H₂O=SO₄^2-+2I^-+4H⁺，故答案为：SO₂+I₂+2H₂O=SO₄^2-+2I^-+4H⁺；
②KOH溶液作为电解质溶液，负极为氢气失电子发生氧化反应的过程，则方程式为：H₂-2e^-+2OH^-=2H₂O，故答案为：H₂-2e^-+2OH^-=2H₂O；
（4）①太阳光是取之不尽用之不竭的能源，故C最节能，故答案为：C；   
②v（H₂）=3v（CO₂）=3$\frac{△c（C{O}_{2}）}{△t}$=3×$\frac{（0.5-0.25）mol/L}{6min}$=0.125mol/（L•min），故答案为：0.125；
③A．反应中CO₂与CH₃OH的物质的量浓度之比为1：1，不能说明正逆反应速率相等，不能说明化学反应达到化学平衡，故A错误；
B．体积不变，质量不变，则混合气体的密度不随时间的变化而变化，不能利用密度判断平衡，故B错误；
C．单位时间内每消耗3mol H₂，同时生成1mol H₂O，体现正反应速率，无法确定正逆反应速率的关系，故C错误；
D．CO₂的体积分数在混合气体中保持不变，化学反应达到化学平衡，故D正确；
故答案为：D；　
④A、依据平衡常数随温度变化和平衡移动原理分析判断，随温度升高平衡常数减小，正反应为放热反应，故A正确；
B、由A得正反应为放热反应，△H＜0，△S＜0，根据△G=△H-T△S＜0自发，△G=△H-T△S＞0非自发，所以低温下能自发进行，高温下不能自发进行，故B错误；
C、结合平衡三段式列式计算，平衡常数等于生成物平衡浓度幂次方乘积除以反应物平衡浓度幂次方乘积，
                CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）
起始量（mol/L）  0.1      0.2        0
变化量（mol/L）  0.1×50%  0.1      0.05
平衡量（mol/L） 0.05       0.1      0.05
平衡常数K=$\frac{0.05}{0.05×0．{1}^{2}}$=100，故C正确；
D、升温平衡逆向进行，此条件是催化剂活性最大，不是原料气的转化率高，故D错误；
故答案为：AC．

点评 本题考查了电解质溶液中的电荷守恒、反应热=反应物的键能和-生成物的键能和、电化学、化学平衡状态的判断、化学平衡的影响因素等知识，题目难度不大．