Question

3．利用化学原理对废气、废水进行脱硝、脱碳处理，可实现绿色环保、废物利用，对构建生态文明有重要意义．
Ⅰ．脱硝：
（1）H₂还原法消除氮氧化物
已知：N₂（g）+2O₂（g）=2NO₂（g）△H=+133KJ•mol^-1
H₂O（g）=H₂O（l）△H=-44KJ•mol^-1
H₂的燃烧热为285.8KJ•mol^-1
在催化剂存在下，H₂还原NO₂生成水蒸气和氮气的热化学方程式为4H₂（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+4H₂O（g）△H=-1100.2kJ•mol^-1．
（2）用NH₃催化还原法消除氮氧化物，发生反应：4NH₃（g）+6NO（g）?5N₂（g）+6H₂O（l）△H＜0
相同条件下，在2L恒容密闭容器中，选用不同催化剂，产生N₂的量随时间变化如图1所示．

①计算0～4分钟在A催化剂作用下，
反应速率v（NO）=0.375mol•L^-1•min^-1．
②下列说法正确的是CD．
A．该反应的活化能大小顺序是：E_a（A）＞E_a（B）＞E_a（C）
B．增大压强能使反应速率加快，是因为增加了活化分子百分数
C．单位时间内H-O键与N-H键断裂的数目相等时，说明反应已达到平衡
D．若反应在恒容绝热的密闭容器中进行，当K值不变时，说明已达到平衡
（3）微生物燃料电池（MFC）是一种现代化氨氮去除技术．图2为MFC碳氮联合同时去除的氮转化系统原理示意图．
①已知A、B两极生成CO₂和N₂的物质的量之比为5：2，写出A极的电极反应式CH₃COO^--8e^-+2H₂O=2CO₂↑+7H⁺．
②解释去除NH₄⁺的原理NH₄⁺在好氧微生物反应器中转化为NO₃^-，NO₃^-在MFC电池正极转化为N₂．
Ⅱ．脱碳：
（4）用甲醇与CO反应生成醋酸可消除CO污染．常温下，将a mol•L^-1醋酸与bmol•L^-1 Ba（OH）₂溶液等体积混合，充分反应后，溶液中存在2c（Ba²⁺）=c（CH₃COO^-），忽略溶液体积变化，计算醋酸的电离常数K_a=$\frac{2b}{a-2b}$×10^-7L/mol（用含a、b的代数式表示）．

Answer 1

分析 （1）依据热化学方程式和盖斯定律计算所得热化学方程式；
（2）①已知4分钟时氮气为2.5mol，则消耗的NO为3mol，根据v（NO）=$\frac{△c}{△t}$计算；
②A．相同时间内生成的氮气的物质的量越多，则反应速率越快，活化能越低；
B．改变压强，活化分子百分数不变；
C．单位时间内H-O键断裂表示逆速率，N-H键断裂表示正速率，正逆速率相同则反应已经达到平衡；
D．该反应为放热反应，恒容绝热的密闭容器中，反应时温度会升高，则K会减小；
（3）①图示分析可知微生物燃料电池中氢离子移向B电极，说明A为原电池的负极，B为原电池的正极，NO₃^-离子在正极得到电子生成氮气发生还原反应，CH₃COO^-在原电池负极失电子生成二氧化碳气体，发生氧化反应，环境为酸性介质；
②NH₄⁺在好氧微生物反应器中转化为NO₃^-，硝酸根离子在原电池正极发生还原反应生成氮气；
（4）溶液等体积混合溶质浓度减少一半，醋酸电离平衡常数与浓度无关，结合K=$\frac{c（C{H}_{3}CO{O}^{-}）•c（{H}^{+}）}{c（C{H}_{3}COOH）}$计算．

解答 解：Ⅰ． 已知：H₂的热值为142.9KJ•g^-1 ，燃烧热为285.8KJ/mol，
①H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=H₂O（l）△H=-285.8kJ/mol
②N₂（g）+2O₂（g）=2NO₂（g）△H=+133kJ•mol^-1
③H₂O（g）=H₂O（l）△H=-44kJ•mol^-1
根据盖斯定律，①×4-②-③×4得到催化剂存在下，H₂还原NO₂生成水蒸气和其它无毒物质的热化学方程式为4H₂（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+4H₂O（g）△H=-1100.2kJ•mol^-1，
故答案为：4H₂（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+4H₂O（g）△H=-1100.2kJ•mol^-1；
（2）①已知4分钟时氮气为2.5mol，则消耗的NO为3mol，所以v（NO）=$\frac{\frac{3mol}{2L}}{4min}$=0.375mol•L^-1•min^-1，
故答案为：0.375mol•L^-1•min^-1；
②A．相同时间内生成的氮气的物质的量越多，则反应速率越快，活化能越低，所以该反应的活化能大小顺序是：E_a（A）＜E_a（B）＜E_a（C），故A错误；
B．增大压强能使反应速率加快，是因为增大了活化分子数，而活化分子百分数不变，故B错误；
C．单位时间内H-O键断裂表示逆速率，N-H键断裂表示正速率，单位时间内H-O键与N-H键断裂的数目相等时，则消耗的NH₃和消耗的水的物质的量之比为4：6，则正逆速率之比等于4：6，说明反应已经达到平衡，故C正确；
D．该反应为放热反应，恒容绝热的密闭容器中，反应时温度会升高，当温度不变时，说明反应已经达到平衡，故D正确；
故答案为：CD；
（3）①图示分析可知微生物燃料电池中氢离子移向B电极，说明A为原电池的负极，B为原电池的正极，NO₃^-离子在正极得到电子生成氮气发生还原反应，CH₃COO^-在原电池负极失电子生成二氧化碳气体，发生氧化反应，环境为酸性介质，则A极的电极反应式为：CH₃COO^--8e^-+2H₂O═2CO₂+7H⁺，B电极反应式为：2NO₃^-+12H⁺+10e^-═N₂+6H₂O，
故答案为：CH₃COO^--8e^-+2H₂O═2CO₂+7H⁺；
②NH₄⁺在好氧微生物反应器中转化为NO₃^-：NH₄⁺+2O₂═NO₃^-+2H⁺+H₂O，硝酸根离子在原电池正极发生还原反应生成氮气：2NO₃^-+12H⁺+10e^-═N₂+6H₂O，
故答案为：NH₄⁺在好氧微生物反应器中转化为NO₃^-，NO₃^-在MFC电池正极转化为N₂；
（4）反应平衡时，2c（Ba²⁺）=c（CH₃COO^-）=bmol/L，据电荷守恒可知：c（H⁺）=c（OH^-）=10^-7mol/L，溶液呈中性，则醋酸电离平衡常数为K=$\frac{c（C{H}_{3}CO{O}^{-}）•c（{H}^{+}）}{c（C{H}_{3}COOH）}$=$\frac{b×1{0}^{-7}}{\frac{a}{2}-b}$=$\frac{2b}{a-2b}$×10^-7，
故答案为：$\frac{2b}{a-2b}$×10^-7L/mol．

点评 本题考查较为综合，涉及物质的量随计算变化的曲线、化学平衡常数的计算、反应热与焓变的应用、化学反应速率的计算等知识，题目难度较大，明确化学平衡及其影响为解答关键，试题知识点较多、综合性较强，充分考查了学生的分析、理解能力及综合应用能力．