题目内容
【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。
【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。
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