Question

3．污染物的有效去除和资源的充分利用是化学造福人类的重要研究课题．硫、氮氧化物是形成酸雨、雾霾等环境污染的罪魁祸首，采用合适的措施消除其污染是保护环境的重要措施．
Ⅰ．研究发现利用NH₃可消除硝酸工业尾气中的NO污染．NH₃与NO的物质的量之比分别为1：3、3：l、4：1时，NO脱除率随温度变化的曲线如图2所示．

（1）①曲线a中，NO的起始浓度为6×10^-4mg/m³，从A点到B点经过0.8s，该时间段内NO的脱除速率为1.5×10^-4mg/（m³•s）．
②曲线b对应的NH₃与NO的物质的量之比是3：1，其理由是NH₃与NO的物质的量比值越大，NO的脱除率越大
（2）已知在25℃，101kPa时：
N₂（g）+3H₂（g）═2NH₃（g）△H=-Q₁/mol
2H₂（g）+O₂（g）═2H₂O（1）△H=-Q₂kJ/mo1
N₂（g）+O₂（g）═2NO（g）△H=+Q₃kJ/mo1；
请写出用NH₃脱除NO的热化学方程式4NH₃（g）+6NO（g）═5N₂（g）+6H₂O（1）△H=-（3Q₂-2Q₁+3Q₃）KJ/mol．
Ⅱ．工业上还可以变“废”为“宝”，将雾霾里含有的SO₂、NO等污染物转化为Na₂S₂O₄（保险粉）和NH₄NO₃等化工用品，其生产流程如图1：
（3）装置Ⅱ中NO转变为NO₃^-的反应的离子方程式为3Ce⁴⁺+NO+2H₂O═3Ce³⁺+NO₃^-+4H⁺．
（4）装置Ⅲ制得Na₂S₂O₄的同时还能让Ce⁴⁺再生，原理如图3所示．其阴极的电极反应式为：2HSO₃^-+2e^-+2H⁺═S₂O₄^2-+2H₂O．
（5）按上述流程处理含有amolSO₂、bmolNO的雾霾（b＞a），并制取Na₂S₂O₄和NH₄NO₃．装置Ⅰ中SO₂、装置Ⅱ中NO、装置Ⅲ中HSO₃^-和Ce³⁺、装置Ⅳ中NO₂^-全部转化，处理完毕后装置Ⅱ中Ce⁴⁺的剩余量与加入量相比没有变化，则至少需向装置Ⅳ中通入标准状况下的O₂5.6（3b-a）L（用含a、b的代数式表示）．

Answer 1

分析 Ⅰ．（1）①曲线a中，NO的起始浓度为6×10^-4mg/m³，A点的脱除率为55%，B点的脱除率为75%，从A点到B点经过0.8 s，该时间段内NO的脱除速率=$\frac{一氧化氮脱硫的变化}{变化时间}$×100%；
②NH₃与NO的物质的量的比值越大，NO脱除率越大；
（2）已知在25℃，101kPa时：
①N₂（g）+3H₂（g）═2NH₃（g）△H=-Q₁/mol
②2H₂（g）+O₂（g）═2H₂O（1）△H=-Q₂kJ/mo1
③N₂（g）+O₂（g）═2NO（g）△H=+Q₃kJ/mo1，用NH₃脱除NO的化学方程式为4 NH₃（g）+6 NO（g）═5 N₂（g）+6 H₂O（1），可根据该寺定律，将3×②-2×①-3×③可得热化学方程式；
Ⅱ．SO₂、NO是大气污染物，通过氢氧化钠溶液吸收得到亚硫酸氢钠，一氧化氮不反应，通过装置Ⅱ加入Ce⁴⁺氧化还原反应得到Ce³⁺、NO₂^-、NO₃^-等，和亚硫酸氢钠混合，在电解池中通电电解得到Ce⁴⁺循环使用，获得Na₂S₂O₄，NO₂^-、NO₃^-等加入氨气和氧气在装置Ⅳ中发生反应得到NH₄NO₃产品，以此解答．

解答 解：Ⅰ．（1）①曲线a中，NO的起始浓度为6×10^-4mg/m³，A点的脱除率为55%，B点的脱除率为75%，从A点到B点经过0.8 s，该时间段内NO的脱除速率=$\frac{（75%-55%）×6×1{0}^{-4}}{0.8s}$=1.5×10^-4mg/（m³•s），
故答案为：1.5×10^-4；
②NH₃与NO的物质的量的比值越大，NO脱除率越大，故其物质的量之比分别为1：3、3：1、4：1时，对应的曲线为c、b、a，故曲线b 对应NH₃与NO的物质的量之比是3：1，
故答案为：3：1；NH₃与NO的物质的量比值越大，NO的脱除率越大；
（2）已知在25℃，101kPa时：
①N₂（g）+3H₂（g）═2NH₃（g）△H=-Q₁/mol
②2H₂（g）+O₂（g）═2H₂O（1）△H=-Q₂kJ/mo1
③N₂（g）+O₂（g）═2NO（g）△H=+Q₃kJ/mo1，用NH₃脱除NO的化学方程式为4 NH₃（g）+6 NO（g）═5 N₂（g）+6 H₂O（1），可根据该寺定律，将3×②-2×①-3×③可得热化学方程式4 NH₃（g）+6 NO（g）═5 N₂（g）+6 H₂O（1）△H=-（3Q₂-2Q₁+3Q₃）KJ/mol，
故答案为：4 NH₃（g）+6 NO（g）═5 N₂（g）+6 H₂O（1）△H=-（3Q₂-2Q₁+3Q₃）KJ/mol；
Ⅱ．SO₂、NO是大气污染物，通过氢氧化钠溶液吸收得到亚硫酸氢钠，一氧化氮不反应，通过装置Ⅱ加入Ce⁴⁺氧化还原反应得到Ce³⁺、NO₂^-、NO₃^-等，和亚硫酸氢钠混合，在电解池中通电电解得到Ce⁴⁺循环使用，获得Na₂S₂O₄，NO₂^-、NO₃^-等加入氨气和氧气在装置Ⅳ中发生反应得到NH₄NO₃产品，
（3）装置Ⅱ中NO转变为NO₃^-的反应的离子方程式为3Ce⁴⁺+NO+2H₂O═3Ce³⁺+NO₃^-+4H⁺，故答案为：3Ce⁴⁺+NO+2H₂O═3Ce³⁺+NO₃^-+4H⁺；
（4）阴极发生还原反应，电极方程式为2HSO₃^-+2e^-+2H⁺═S₂O₄^2-+2H₂O，故答案为：2HSO₃^-+2e^-+2H⁺═S₂O₄^2-+2H₂O；
（5）amolSO₂、bmolNO反应后分别生成Na₂S₂O₄、NH₄NO₃，S元素化合价由+4价降低到+3价，N元素化合价由+2价升高到+5价，设通入xmol氧气，
由化合价升降总数相等可知4x+a=3b，x=$\frac{3b-a}{4}$，则氧气的体积为$\frac{3b-a}{4}$mol×22.4L/mol=5.6（3b-a）L，
故答案为：5.6（3b-a）．

点评 本题考查了无机化工生产流程图，为高频考点，涉及氧化还原反应、计算、电化学等知识，综合性强，侧重分析、计算能力的考查，题目难度中等．