Question

12．雾霾天气的频繁出现严重影响了我国居民的生活健康．研究显示其中首要污染物为可吸入颗粒物PM2.5，燃煤、机动车和扬尘是造成污染的主要原因．因此，运用化学法防治大气污染是当下重要的研究方向．
（1）汽车尾气中含有CO、NO等多种污染物．
①在汽车排气管上装一个催化转化装置可将CO与NO转化成参与大气循环的无毒物质．反应的化学方程式是2NO+2CO$\frac{\underline{\;催化剂\;}}{\;}$N₂+2CO₂．
②气缸中生成NO的反应原理为：N₂（g）+O₂（g）?2NO（g）△H＞0．若1mol空气中的N₂（体积分数为80%）和O₂（体积分数为20%）在一定温度下于密闭容器内反应，达到平衡时测得NO为6×10^-4mol，则此温度下该反应的平衡常数K=2.25×10^-6，汽车行驶时，气缸温度越高，单位时间内排放的NO越多，原因是温度升高，反应速率加快，正反应为放热反应，温度升高，有利于平衡反应正向进行．
（2）煤的气化是获得洁净燃料、降低SO₂排放的重要途径之一．已知：
2H₂（g）+O₂（g）=2H₂O（g）△H=-483.6kJ•mol^-1，
C（s）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=CO（g）△H=-110.5kJ•mol^-1．
写出焦炭与水蒸气反应生成水煤气的热化学方程式：C（s）+H₂O（g）=CO（g）+H₂（g）△H=+1341.3kJ/mol．
（3）CO与H₂反应可制备甲醇．某实验室组装的CH₃OH-O₂燃料电池的工作原理如图所示．
①该电池工作时，b口通入的物质为CH₃OH．
②该电池负极的电极反应式为CH₃OH+H₂O-6e^-=CO₂+6H⁺．
③若用该燃料电池电解精炼铜，当析出精铜32g时，理论上该电池消耗的O₂在标准状况下的体积为5.6L．
（4）常温下将PM2.5的空气样本用蒸馏水处理，制成待测试样．测得该试样所含水溶性离子的化学组分及平均浓度如下表所示．

离子	Na+	K+	NH4+	NO3-	SO42-	Cl-
浓度/mol•L-1	7×10-6	3×10-6	2×10-5	5×10-5	3×10-5	2×10-5

则根据表中数据可计算出该待测试样的pH=4．

Answer 1

分析 （1）①CO与NO转化成参与大气循环的无毒物质，反应生成氮气与二氧化碳；
②根据平衡时NO的物质的量，结合方程式计算平衡时各组分物质的量，反应前后气体分子数目不变，用物质的量代替浓度代入K=$\frac{{c}^{2}（NO）}{c（{N}_{2}）×c（{O}_{2}）}$计算；
温度升高，反应速率加快；温度升高，有利于平衡反应正向进行；
（2）已知：①．2H₂（g）+O₂（g）=2H₂O（g）△H=-483.6kJ•mol^-1，
②．C（s）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=CO（g）△H=-110.5kJ•mol^-1．
根据盖斯定律，②-①×$\frac{1}{2}$可得：C（s）+H₂O（g）=CO（g）+H₂（g）；
（3）①由质子移动方向可知，左室为负极，右室为正极，负极发生氧化反应，正极发生还原反应，则甲醇在负极加入，氧气在正极通入；
②甲醇在负极失去电子，生成二氧化碳与氢离子；
③根据电子转移守恒计算氧气物质的量，再根据V=nV_m计算氧气体积；
（4）根据电荷守恒判断溶液酸碱性，利用电荷守恒计算溶液中H⁺离子浓度，若为碱性，忽略氢离子，若为酸性，忽略氢氧根离子，再根据pH=-lgc（H⁺）计算．

解答 解：（1）①CO与NO转化成参与大气循环的无毒物质，反应生成氮气与二氧化碳，反应方程式为：2NO+2CO$\frac{\underline{\;催化剂\;}}{\;}$N₂+2CO₂，
故答案为：2NO+2CO$\frac{\underline{\;催化剂\;}}{\;}$N₂+2CO₂；
②1mol空气中的N₂为0.8mol、O₂为0.2mol，达到平衡时测得NO为6×10^-4 mol，则：
                N₂（g）+O₂（g）?2NO（g）
起始量（mol）：0.8       0.2       0
变化量（mol）：3×10^-4    3×10^-4    6×10^-4       
平衡量（mol）：7997×10^-4    1997×10^-4 6×10^-4                           
反应前后气体分子数目不变，可以用物质的量代替浓度计算平衡常数，故平衡常数K=$\frac{{c}^{2}（NO）}{c（{N}_{2}）×c（{O}_{2}）}$=$\frac{（6×1{0}^{-4}）^{2}}{7997×1{0}^{-4}×1997×1{0}^{-4}}$=2.25×10^-6，
温度升高，反应速率加快，正反应为放热反应，温度升高，有利于平衡反应正向进行，气缸温度越高，单位时间内排放的NO越多，
故答案为：2.25×10^-6；温度升高，反应速率加快，正反应为放热反应，温度升高，有利于平衡反应正向进行；
（2）已知：①．2H₂（g）+O₂（g）=2H₂O（g）△H=-483.6kJ•mol^-1，
②．C（s）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=CO（g）△H=-110.5kJ•mol^-1．
根据盖斯定律，②-①×$\frac{1}{2}$可得：C（s）+H₂O（g）=CO（g）+H₂（g）△H=+1341.3kJ/mol，
故答案为：C（s）+H₂O（g）=CO（g）+H₂（g）△H=+1341.3kJ/mol；
故答案为：温度升高，反应速率加快；温度升高，有利于平衡反应正向进行；
（3）①由质子移动方向可知，左室为负极，右室为正极，负极发生氧化反应，正极发生还原反应，则甲醇在负极加入，氧气在正极通入，则b口通入的物质为CH₃OH，生成的二氧化碳在a口排出，
故答案为：CH₃OH；
②甲醇在负极失去电子，生成二氧化碳与氢离子，负极电极反应式为CH₃OH+H₂O-6e^-=CO₂+6H⁺，
故答案为：CH₃OH+H₂O-6e^-=CO₂+6H⁺；
③析出精铜32g时，Cu的物质的量为$\frac{32g}{64g/mol}$=0.5mol，根据电子转移守恒，消耗氧气物质的量为$\frac{0.5mol×2}{4}$=0.25mol，消耗氧气体积为0.25mol×22.4L/mol=5.6L，
故答案为：5.6；
（4）由电荷守恒可知，c（K⁺）+c（Na⁺）+c（H⁺）+c（NH₄⁺）=c（OH^-）+c（Cl^-）+2c（SO₄^2-）+c（NO₃^-），则c（H⁺）-c（OH^-）=（2×10^-5 +2×3×10^-5 +5×10^-5-3×10^-6-7×10^-6-2×10^-5 ）mol/L=10^-4mol/L，溶液呈酸性，溶液中H⁺离子浓度约是为10^-4，pH值=-lgc（H⁺）=4，
故答案为：4．

点评 本题考查化学平衡计算、热化学方程式书写、原电池、溶液酸碱性判断与pH计算、化学反应速率与化学平衡影响因素等，属于拼合型题目，需要学生具备扎实的基础，难度中等．