Question

14．雾霾天气严重影响人们的生活，氮氧化物和硫氧化物是造成雾霾的主要原因之一．
Ⅰ．将PM2.5样本用蒸馏水处理制成待测试样．
（1）某同学测得该样本所含水溶性无机离子的化学组分及其平均浓度列出下表：（若缺少的离子用H⁺或OH^-补充）：

离子	K+	Na+	NH4+	SO32-	NO3-	Cl-
浓度/mol•L-1	7×10-6	3×10-6	2×10-5	3×10-5	5×10-5	2×10-5

根据表中数据判断该试样的pH=4；该表有一处笔误，请你指正表中用亚硫酸根离子表示浓度有错，应用亚硫酸氢根离子表示．
Ⅱ．消除氮氧化物和硫化物有多种方法．
【方法一】：工业上变“废”为宝，吸收工业尾气SO₂和NO，可获得Na₂S₂O₄（连二亚硫酸钠）和NH₄NO₃ 产品的流程图如图（Ce为铈元素）：

（2）装置Ⅰ中的主要反应的离子方程式为SO₂+OH^-=HSO₃^-．
（3）装置Ⅲ可以使Ce⁴⁺中再生，若用甲烷燃烧电池电解该装置中的溶液，当消耗24g甲烷时，理论上可再生12mol Ce⁴⁺．
（4）利用喷雾干燥法脱硫工艺是除去SO₂的常见方法，先将含SO₂的废气溶于水，再用饱和石灰浆吸收，
该温度下，吸收液中c（Ca²⁺）一直保持为0.70mol/L，已知Ksp（CaSO₃）=1.4×10^-7．求吸收液中的SO₃^2-的浓度2.0×10^-7mol/L．（结果保留2位有效数字）
【方法二】：NH₃催化还原氮氧化物（SCR）技术是目前应用最广泛的烟气氮氧化物脱除技术．反应原理如图所示：

（5）图乙是不同催化剂Mn和Cr在不同温度下对应的脱氢率，由图综合考虑可知最佳的催化剂和相应的温度分别为Mn、200℃左右．
（6）用Fe做催化剂时，在氨气足量的情况下，不同$\frac{c（N{O}_{2}）}{c（NO）}$=1：1脱氢效果最佳．已知生成11.2L N₂（标）反应放出的热量为QkJ，此时对应的脱氢反应的热化学方程式为2NH₃（g）+NO（g）+NO₂（g）=2N₂（g）+3H₂O（g）△H=-4QkJ•mol^-1．
【方法二】用活性炭还原法可以处理氮氧化物．
反应原理：1/2C（s）+NO（g）═1/2N₂（g）+1/2CO₂（g）△H=-QkJ/mol在T1℃时，反应进行到不同的时间测得各物质的浓度如下：

时间（min） 浓度（mol/L-1）	0min	10min	20min	30min	40min	50min
NO（mol/L-1）	1.00	0.58	0.40	0.40	0.48	0.48
N2（mol/L-1）	0	0.21	0.30	0.30	0.36	0.36
CO2（mol/L-1）	0	0.21	0.30	0.30	0.36	0.36

（7）T₁℃时，该反应的平衡常数K=0.75．
（8）30min后，只改变某一条件，反应重新达到平衡，根据上表中的数据判断改变的条件可能是通入一定量的NO或适当缩小容器的体积或增大压强或通入等物质的量的CO₂和N₂．

Answer 1

分析 Ⅰ．（1）依据电荷守恒，结合表中数据，负电荷总数多于正电荷，所以溶液中还应有氢离子，亚硫酸根离子与氢离子不能大量共存，依据电荷守恒，可计算出溶液中氢离子浓度，再计算pH值即可；
Ⅱ．（2）二氧化硫是酸性氧化物，能和强碱之间发生反应；
（3）1molCe³⁺再生转化为Ce⁴⁺，提供电子为1mol，1mol甲烷完全燃烧，转移电子为mol，据此解答即可；
（4）根据硫酸钙的溶度积常数表达式Ksp（CaSO₃）=c（Ca²⁺）•c（SO₃^2-）进行计算；
（5）温度越高，对设备的要求越高，所以如果催化剂在较低温度下能较大程度的脱氢即可；根据纵坐标判断，相同温度下，脱氢率越高的效果越好；
（6）根据生成11.2L N₂（标）即0.5mol反应放出的热量为QkJ，则生成2mol氮气放出4QkJ热量，据此书写热化学方程式；
（7）T_l℃时，由表格数据可知20min达到平衡，平衡浓度c（N₂）=0.3mol/L、c（CO₂）=0.3mol/L、c（NO）=0.4mol/L，以此计算反应的平衡常数；
（8）30min后，只改变某一条件，反应重新达到平衡，1/2C（s）+NO（g）═1/2N₂（g）+1/2CO₂（g），由图表数据分析，平衡状态物质浓度增大，平衡常数K′═$\frac{\sqrt{0.36×0.36}}{0.48}$=0.75，平衡常数不变，则结合浓度增大的影响因素来解答．

解答 解：Ⅰ、（1）根据表中数据，负电荷总数多于正电荷，根据溶液中遵循电荷守恒：c（K⁺）+c（NH₄⁺）+c（Na⁺）+c（H⁺）=2c（SO₄^2-）+c（NO₃^-）+c（Cl^-），即：3×10^-6+7×10^-6+3×10^-5+c（H⁺）=2×3×10^-5+5×10^-5+2×10^-5，解c（H⁺）=10^-4mol•L^-1，pH值为4，溶液呈酸性，而亚硫酸根离子与氢离子不能大量共存，故表中用亚硫酸根离子表示浓度有错，应用亚硫酸氢根离子表示，
故答案为：4；表中用亚硫酸根离子表示浓度有错，应用亚硫酸氢根离子表示；
Ⅱ．（2）二氧化硫是酸性氧化物，能和强碱氢氧化钠之间发生反应：SO₂+OH^-=HSO₃^-，NO和氢氧化钠之间不会反应，
故答案为：SO₂+OH^-=HSO₃^-；
（3）1molCe³⁺再生转化为Ce⁴⁺，提供电子为1mol，甲烷燃料电池中，在碱性溶液中，甲烷燃料电池的负极反应式为CH₄-8e^-+10OH^-═CO₃^2-+7H₂O，消耗24g甲烷时，转移电子数为12mol，每生成1molCe⁴⁺，提供电子为1mol，所以当消耗24g甲烷时，理论上可再生12mol Ce⁴⁺．，
故答案为：12；
（4）根据硫酸钙的溶度积常数表达式Ksp（CaSO₃）=c（Ca²⁺）•c（SO₃^2-）可知，c（SO₃^2-）=$\frac{Ksp（CaSO{\;}_{3}）}{c（Ca{\;}^{2+}）}$=$\frac{1.4×10{\;}^{-7}}{0.7}$mol/L=2.0×10^-7mol/L，
故答案为：2.0×10^-7mol/L．
（5）根据图乙知Mn催化剂时，在200℃左右脱氮率最高，Cr作催化剂，500℃左右脱氮率最高，但二者的最高脱氮率差不多，使用Mn作催化剂需要的温度低，更经济，因此使用的最佳的催化剂和相应的温度分别为Mn、200℃左右，
故答案为：Mn、200℃左右；
（6）脱氮效果最佳时c（NO₂）：c（NO）=1：1，生成11.2L N₂（标）即0.5mol反应放出的热量为QkJ，则生成2mol氮气放出4QkJ热量，因此反应的热化学方程式为2NH₃（g）+NO（g）+NO₂（g）=2N₂ （g）+3H₂O（g）△H=-4Q kJ•mol^-1，
故答案为：2NH₃（g）+NO（g）+NO₂（g）=2N₂ （g）+3H₂O（g）△H=-4Q kJ•mol^-1；
（7）T_l℃时，由表格数据可知20min达到平衡，平衡浓度c（N₂）=0.3mol/L、c（CO₂）=0.3mol/L、c（NO）=0.4mol/L，根据反应1/2C（s）+NO（g）═1/2N₂（g）+1/2CO₂（g），则K=$\frac{\sqrt{0.3×0.3}}{0.4}$=0.75，
故答案为：0.75；
（8）30min后，只改变某一条件，反应重新达到平衡，C（s）+2NO（g）?N₂（g）+CO₂（g），由图表数据分析，平衡状态物质浓度增大，平衡常数K′═$\frac{\sqrt{0.36×0.36}}{0.48}$=0.75，平衡常数随温度变化，平衡常数不变说明改变的条件一定不是温度；由氮气浓度增大，二氧化碳和一氧化氮浓度增大，反应前后气体体积不变，则改变的条件可能是通入一定量的NO或适当缩小容器的体积或增大压强或通入等物质的量的CO₂和N₂，
故答案为：通入一定量的NO或适当缩小容器的体积或增大压强或通入等物质的量的CO₂和N₂．

点评 本题考查较综合，涉及氧化还原反应、化学平衡计算、原电池等，侧重化学反应原理的综合应用能力的考查，综合性较强，题目难度中等．