Question

【题目】氮氧化物是造成酸雨、臭氧空洞、光化学烟雾等环境问题的主要原因之一。如何消除大气污染物中氮氧化物已成为人们关注的主要问题之一。

I.NH3-SCR法是工业上消除氮氧化物的常用方法。该法是利用氨的还原性，在一定条件下，将烟气中的NOx直接还原为N2。

主要反应原理为：4NH3+4NO+O24N2+6H2O

（1）已知有下列热化学方程式：

①4NH3(g)+4NO(g)+O2(g)4N2(g)+6H2O(1) △H =-1891.5kJmol-1

②N2(g)+O2(g)2NO(g) △H =+180.5kJmol-1

③H2O(1)=H2O(g) △H =+44.0kJmol-1

则氨气与氧气反应生成NO和气态水的热化学方程式为_________________________________。

（2）其他条件相同，某2 L密闭容器中分别投入2 mol NH3、2 mol NO、1 mol O2，在甲、乙两种催化剂作用下，NO转化率与温度的关系如图所示。

①工业上选择催化剂乙的原因是_________________。

②在催化剂甲作用下，高于210℃时，NO转化率降低的原因可能是_______________________。

Ⅱ.CH4可以消除氮氧化物的污染。主要反应原理为：CH4(g)+2NO2(g)= CO2(g)+2H2O(g)+ N2(g) △H=-868.7kJmol-1

（3）在3.00L密闭容器中，通入0.100mol CH4和0.200mol NO2，在一定温度下进行上述反应，反应时间(t)与容器内气体总压强(P) 的数据见下表：

反应时间t/min	0	2	4	6	8	10
总压强P/100kPa	4.80	5.44	5.76	5.92	6.00	6.00

由表中数据，计算0-4min内v(NO2)=____________，该温度下的平衡常数K=________________。

（4）在一恒容装置中，通入一定量CH4和NO2，测得在相同时间内和不同温度下，NO2的转化率α(NO2)如下图，则下列叙述正确的是_____________

A.若温度维持在200℃更长时间，NO2的转化率将大于19%

B.反应速率：b点的v(逆)>e点的v(逆)

C.平衡常数： c点=d点

D.在时间t内，提高c点时NO2的转化率和反应速率，可适当升温或增大c(CH4)

Ⅲ.工业上也常采用电解的方法消除氮氧化物的污染。

（5）清华大学曹天宇等人研究的基于固体氧化物电解池(SOEC)的NOx电化学还原技术，为大气污染物治理开拓了新颖的思路。SOEC反应器的工作原理如图所示。电源的a 是________极。写出阴极的电极反应式：__________________________________。

Answer 1

【答案】 4NH3(g)+5O2(g)=4NO(g)+6H2O(g) ΔH=- 905.5kJ·mol-1 低温下有很强的催化活性（或在较大的温度范围内有较高催化活性） 温度超出了催化剂的活性温度范围；温度升高发生了副反应，该反应是放热反应，达到平衡后升高温度，平衡逆向移动等 0.0100mol·L-l·min-1 0.675mol·L-1 AD 正 2NO+4e-=N2+2O2- O2+4e-=2O2-

【解析】（1）①＋4×②＋6×③得到：4NH3(g) + 5O2(g) = 4NO(g) + 6H2O(g) ΔH=- 905.5kJ·mol-1。

（2）①从图中看出，乙催化剂在较低温度下就可以达到较好的催化效果，所以工业上会使用乙催化剂。

②当温度高于210℃的时候，在催化剂甲的作用下，NO的转化率降低，其原因可能是：在较高温度下，催化剂的催化活性降低，反应的NO减少，转化率降低；也可能是反应已经达平衡，升高温度平衡逆向移动，转化率降低；另外一种可能性是，温度升高，发生副反应，所以转化率降低。

（3）恒温恒容下，容器的压强比等于气体的物质的量的比。

CH4(g) + 2NO2(g) = CO2(g) + 2H2O(g) + N2(g)

起始： 0.100 0.200 0 0 0

反应： X 2X X 2X X

4min： 0.100－X 0.200－2X X 2X X

所以起始有0.3mol气体，4min时有(0.3+X) mol气体，有0.3∶(0.3+X)=4.80∶5.76，解得X=0.0600。所以反应的NO2为0.120mol，速率为：0.120mol÷3L÷4min=0.0100mol·L-l·min-1。

达到平衡时的压强为6.00，所以有：

CH4(g) + 2NO2(g) = CO2(g) + 2H2O(g) + N2(g)

起始： 0.100 0.200 0 0 0

反应： X 2X X 2X X

平衡： 0.100－X 0.200－2X X 2X X

所以起始有0.3mol气体，平衡时有(0.3+X) mol气体，有0.3∶(0.3+X)=4.80∶6，解得X=0.075。所以达平衡时CH4、NO2、CO2、H2O、N2的物质的量分别为0.025mol、0.05mol、0.075mol、0.15mol、0.075mol；平衡常数K=0.675mol·L-1。

（4）实验的测定过程为：在一恒容装置中，通入一定量CH4和NO2，测在相同时间内和不同温度下，NO2的转化率α(NO2)。所以实验中测得的是不同温度下，反应相同时间后，NO2的转化率，不一定是平衡转化率。所以温度较低的时候，反应较慢，此时间没有达平衡，那么反应速率较快的，反应的NO2多，转化率就高（a、b、c三点符合此要求）；温度较高时，反应快，此时间达到平衡态，则温度升高平衡逆向移动，转化率降低（d、e两点符合此要求）。由上，a点（200℃，转化率为19%）未达平衡，则如果反应时间再长一些，反应的NO2就会增加，转化率会高于19%，选项A正确。e点的温度高于b点所以速率应该高于b点，选项B错误。点c和点d的温度不等，则平衡常数一定不等，选项C错误。点c未达平衡，所以在不改变反应时间的前提下，升高温度加快反应速率，在相同时间内反应更多的NO2，提高NO2的转化率；增大甲烷的浓度一定加快速率，平衡正向移动，提高NO2的转化率，选项D正确。所以答案为AD。

（5）电解时阴离子应该向正极移动，根据图示的O2-的移动方向，确定上面是电解的阳极，所以a是电源的正极。阴极的反应物是NO、O2，从图中得到，阴极应该生成O2-，所以反应为（该装置是去污染装置，所以NO应该转化为氮气）：2NO+4e-=N2+2O2-；O2+4e-=2O2-。