Question

5．空气和水的污染是人类生存的重大问题．国家拟于“十二五”期间，将二氧化硫（SO₂）排放量减少8%，氮氧化物（NO_x）排放量减少10%，2006年的新标准修订水中硝酸盐的含量为10毫克/升（与美国相同），考虑到全国各地的具体情况，又特别规定在使用地下水等条件受限时可放宽至20毫克/升．目前，消除大气和水中的污染有多种方法．
（1）NO_x是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1：

①写出N₂和O₂反应的热化学方程式：N₂（g）+O₂（g）=2NO（g）△H=-120kJ•mol^-1．
②氧化还原法消除氮氧化物的转化如下：NO$→_{反应Ⅰ}^{O_{3}}$NO₂$→_{反应Ⅱ}^{CO（NH_{2}）_{2}}$N₂，反应Ⅱ中，当n（NO₂）：n[CO（NH₂）₂]=3：2时，反应的化学方程式是6NO₂+4CO（NH₂）₂=7N₂+8H₂O+4CO₂．
（2）利用I₂O₅消除CO污染的反应为：5CO（g）+I₂O₅（s）?5CO₂（g）+I₂（s）；不同温度下，向装有足量
I₂O₅固体的2L恒容密闭容器中通入2mol CO，测得CO₂的物质的量分数（CO₂）随时间t变化曲线如图2．请回答下列问题：
①T₂温度下，0.5min 内CO₂的平均速率为0.8mol•L^-1•min^-1，T₁时化学平衡常数K=1024．
②d点时，向恒容容器中充入2mol CO，再次平衡后，CO₂的百分含量不变（增大、减小或不变）
（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，具体流程如图3：
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用化学平衡移动的原理分析，在HI分解反应中使用膜反应器分离出H₂的目的是HI分解为可逆反应，及时分离出产物氢气，有利于反应正向进行．
（4）催化反硝化法和电化学沉解法可用于治理水中硝酸盐的污染．
①催化反硝化法中，用H₂将NO₃^-还原N₂，一段时间后，溶液的碱性明显增强．则反应离子方程式为．
②电化学降解NO₃^-的原理如图4，电源正极为A（填“A”或“B），阴极反应式为．

Answer 1

分析 （1）①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；
②反应方程式中，化学计量数之比等于物质的量之比；
（2）①根据起始量和a点时CO₂的体积分数（即物质量分数），列式计算即可求出从反应开始至a点时的反应速率为v（CO）；根据b点时CO₂的体积分数φ（CO₂）求出CO和CO₂的平衡浓度进而求出T₁时化学平衡常数K；
②d点时，反应达到平衡状态，向恒容容器中充入2mol CO，相当于增大容器中压强，压强增大对平衡无影响；
（3）①从流程图可知，在反应器中，I₂氧化SO₂，生成硫酸和HI；
②HI分解是可逆反应，分离出氢气有利于平衡正向移动；
（4）①用H₂ 将NO₃^- 还原为，一段时间后，溶液的碱性明显增强，生成氢氧根离子硝酸根离子被还原为氮气，结合电荷守恒配平书写离子方程式；
②由图示知在Ag-Pt电极上NO₃^-发生还原反应，因此Ag-Pt电极为阴极，则B为负极，A为电源正极；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氢离子参与反应且有水生成；

解答 解：（1）①该反应中的反应热=反应物的键能和-生成物的键能和=1140-1260=-120kJ/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=-120kJ•mol^-1，
故答案为：N₂（g）+O₂（g）=2NO（g）△H=-120kJ•mol^-1；
②当n（NO₂）：n[CO（NH₂）₂]=3：2，即NO₂和CO（NH₂）₂的化学计量数之比是3：2，其方程式表示为：6NO₂+4CO（NH₂）₂=7N₂+8H₂O+4CO₂，
故答案为：6NO₂+4CO（NH₂）₂=7N₂+8H₂O+4CO₂；
（2）①a点时：5CO（g）+I₂O₅（s）?5CO₂（g）+I₂（s）
起始量/mol        2                                 0
转化量/mol        x                                 x
a点量/mol        2-x                                 x
根据a点时CO₂的体积分数φ（CO₂）=$\frac{x}{2}$=0.40，得x=0.8mol
则从反应开始至a点时的反应速率为v（CO₂）=$\frac{\frac{0.8mol}{2L}}{0.5min}$=0.8mol•L^-1•min^-1，
故答案为：0.8mol•L^-1•min^-1；
②T₁时：5CO（g）+I₂O₅（s）?5CO₂（g）+I₂（s）
起始量/mol    4                                 0
转化量/mol    y                                y
b点量/mol    4-y                                y
根据b点时CO₂的体积分数φ（CO₂）=$\frac{y}{4}$=0.80，
得y=3.2mol，c（CO）=0.4mol•L^-1，c（CO₂）=1.6mol•L^-1
T₁时化学平衡常数K=$\frac{{c}^{5}（C{O}_{2}）}{{c}^{5}（CO）}$=$\frac{1．{6}^{5}}{0．{4}^{5}}$=1024，
故答案为：0.8mol•L^-1•min^-1；1024；
②d点时，反应达到平衡状态，5CO（g）+I₂O₅（s）?5CO₂（g）+I₂（s），反应前后气体体积不变，向恒容容器中充入2mol CO，相当于压强增大，对平衡无影响，平衡不变，CO₂的百分含量不变，
故答案为：不变；
（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⁺；
②HI分解为可逆反应，及时分离出产物H₂，有利于反应正向进行，
故答案为：HI分解为可逆反应，及时分离出产物H₂，有利于反应正向进行．
（4）①用H₂ 将NO₃^- 还原为，一段时间后，溶液的碱性明显增强，生成氢氧根离子硝酸根离子被还原为氮气，结合电荷守恒配平书写离子方程式2NO₃^-+3H₂$\frac{\underline{\;催化剂\;}}{\;}$N₂+2OH^-+4H₂O；
故答案为：2NO₃^-+3H₂$\frac{\underline{\;催化剂\;}}{\;}$N₂+2OH^-+4H₂O；
②由图示知在Ag-Pt电极上NO₃^-发生还原反应，因此Ag-Pt电极为阴极，则B为负极，A为电源正极；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参与反应且有水生成，
所以阴极上发生的电极反应式为：2NO₃^-+12H⁺+10e^-=N₂+6H₂O，
故答案为：A，2NO₃^-+12H⁺+10e^-=N₂+6H₂O．

点评 本题综合考查化学反应速率和化学平衡常数的相关计算、化学平衡移动原理，为高考常见题型，侧重于学生的分析能力和计算能力的考查，综合性很强，难度较大，注意把握化学平衡常数的计算以及平衡移动的影响．