Question

燃煤烟气的脱硫脱硝是目前研究的热点。

（1）用CH₄催化还原氮氧化物可以消除氮氧化物的污染。已知：

①CH₄(g)+4NO₂(g)= 4NO(g)+CO₂(g)+2H₂O(g)  △H= -574 kJ•mol^-1

②CH₄(g)+4NO(g)= 2N₂(g)+CO₂(g)+2H₂O(g)    △H= -1160 kJ•mol^-1

③H₂O(g) = H₂O(l)                          △H= -44 kJ•mol^-1                            

写出CH₄(g)与NO₂(g)反应生成N₂(g) 、CO₂(g)和H₂O( l ) 的热化学方程式_____________。

（2）某科研小组研究臭氧氧化--碱吸收法同时脱除SO₂和NO工艺，氧化过程反应原理及反应热、活化能数据如下：

反应Ⅰ：NO(g)+ O₃(g) NO₂(g)+O₂(g) △H₁ = -200.9 kJ•mol^-1   Ea₁ = 3.2 kJ•mol^-1

反应Ⅱ：SO₂(g)+ O₃(g) SO₃(g)+O₂(g)   △H₂ = -241.6 kJ•mol^-1 Ea₂ = 58 kJ•mol^-1

已知该体系中臭氧发生分解反应：2O₃(g) 3O₂(g)。请回答：

其它条件不变，每次向容积为2L的反应器中充入含1.0 mol NO、1.0 mol SO₂的模拟烟气和2.0 mol O₃，改变温度，反应相同时间t后体系中NO和SO₂的转化率如图所示：

①由图可知相同温度下NO的转化率远高于SO₂，结合题中数据分析其可能原因_______。

②下列说法正确的是________。

A．P点一定为平衡状态点

B．温度高于200℃后，NO和SO₂的转化率随温度升高显著下降、最后几乎为零

C．其它条件不变，若缩小反应器的容积可提高NO和SO₂的转化率

③假设100℃时P、Q均为平衡点，此时反应时间为10分钟，发生分解反应的臭氧占充入臭氧总量的10%，则体系中剩余O₃的物质的量是________mol；NO的平均反应速率为________；反应Ⅱ在此时的平衡常数为_______________。

（3）用电化学法模拟工业处理SO₂。将硫酸工业尾气中的SO₂通入如图装置（电极均为惰性材料）进行实验，可用于制备硫酸，同时获得电能：

①M极发生的电极反应式为___________________。

②当外电路通过0.2 mol电子时，质子交换膜左侧的溶液质量_____（填“增大”或“减小”）____克。

Answer

CH4(g)+2NO2(g)= N2(g)+CO2(g)+2H2O(l) △H=-955 kJ/mol 反应Ⅰ的活化能小于反应Ⅱ，相同条件下更易发生反应 BC 0.65 0.0425mol/(L·min) 0.96 SO2+2H2O-2e- =SO42- +4H+ 增大 6.2

【解析】(1)①CH4(g)+4NO2(g)═4NO(g)+CO2(g)+2H2O(g)△H=-574 kJ•mol-1，②CH4(g)+4NO(g)═2N2(g)+CO2(g)+2H2O(g)△H=-1160 kJ•mol-1，③H2O(g)═H2O(l)△H=-44.0 kJ•mol-1，根据盖斯定律，将×(①+②+③×4)得：CH4(g)+2NO2(g)=N2(g)+CO2(g)+2H2O(l) △H=×[(-574 kJ•mol-1)+(-1160 kJ•mol-1)+(-44.0 kJ•mol-1)×4]=-955kJ•mol-1，故答案为：CH4(g)+2NO2(g)=N2(g)+CO2(g)+2H2O(l) △H=-955kJ•mol-1；

(2)①反应Ⅰ：NO(g)+ O3(g) NO2(g)+O2(g) △H1 = -200.9 kJ•mol-1 Ea1 = 3.2 kJ•mol-1

反应Ⅱ：SO2(g)+ O3(g) SO3(g)+O2(g) △H2 = -241.6 kJ•mol-1 Ea2 = 58 kJ•mol-1，反应Ⅰ的活化能小于反应Ⅱ，相同条件下更易发生反应，因此相同温度下NO的转化率远高于SO2，故答案为：反应Ⅰ的活化能小于反应Ⅱ，相同条件下更易发生反应；

②A．图中曲线属于描点法所得图像，P点不一定为图像的最高点，即不一定为平衡状态点，可能是建立平衡过程中的一点，故A错误；B．根据图像，温度高于200℃后，2O3(g) 3O2(g)反应进行程度加大，体系中的臭氧浓度减小，NO和SO2的转化率随温度升高显著下降、当臭氧完全分解，则二者转化率几乎为零，故B正确；C．其它条件不变，若缩小反应器的容积，使得2O3(g) 3O2(g)平衡逆向移动，臭氧浓度增大，反应Ⅰ：NO(g)+ O3(g) NO2(g)+O2(g) 和反应Ⅱ：SO2(g)+ O3(g) SO3(g)+O2(g)平衡正向移动， NO和SO2的转化率提高，故C正确；故选BC；

CH4（g）+2NO2（g）=N2（g）+CO2（g）+2H2O（l）△H=-955kJ•mol-1

③反应Ⅰ：NO(g)+ O3(g) NO2(g)+O2(g)中NO的转化率为85%，则反应的NO为0.85mol，O3为0.85mol；反应Ⅱ：SO2(g)+ O3(g) SO3(g)+O2(g)中SO2的转化率为30%，反应的SO2为0.3mol，O3为0.3mol，2O3(g) 3O2(g)中发生分解反应的臭氧占充入臭氧总量的10%，为0.2mol，则体系中剩余O3的物质的量=2.0mol-0.85mol-0.3mol-0.2mol=0.65mol；NO的平均反应速率==0.0425mol/(L·min)；平衡是为0.85mol+0.30mol+0.3mol=1.45mol，反应Ⅱ的平衡常数==0.96，故答案为：0.65；0.0425mol/(L·min)；0.96；

(3)①本质是二氧化硫、氧气与水反应生成硫酸，M电极为负极，N电极为正极，M电极上二氧化硫失去电子氧化生成SO42-，根据原子守恒会电荷守恒可知，有水参加反应，有氢离子生成，电极反应式为：SO2+2H2O-2e -═SO42-+4H+，故答案为：SO2+2H2O-2e -═SO42-+4H+；

②负极反应式为：SO2+2H2O-2e -═SO42-+4H+，正极反应式为O2 + 4e-- + 4H+ == 2H2O，当外电路通过0.2 mol电子时，负极反应的二氧化硫为0.1mol，质量为6.4g，同时有0.2mol氢离子通过质子交换膜进入右侧，左侧溶液质量增大6.4g-0.2g=6.2g，故答案为：增大；6.2。