Question

（20分）氮氧化物（NO_x）、SO₂和CO₂等气体会造成环境问题。对燃煤废气进行脱硝、 脱硫和脱碳等处理，可实现绿色环保、节能减排、废物利用等目的。

（1）脱硝。利用甲烷催化还原NO_x：

CH₄(g) ＋ 4NO₂(g) ＝4NO(g) ＋ CO₂(g) ＋ 2H₂O(g)  △H₁＝－574 kJ·mol^－1

CH₄(g) ＋ 4NO(g) ＝2N₂(g) ＋ CO₂(g) ＋ 2H₂O(g)   △H₂＝－1160 kJ·mol^－1

甲烷直接将NO₂还原为N₂的热化学方程式为                               。

（2）脱碳。将CO₂转化为甲醇：CO₂(g)＋3H₂(g) CH₃OH(g)＋H₂O(g)    △H₃

在一恒温恒容密闭容器中充入1 mol CO₂和3 mol H₂进行上述反应。测得CO₂和CH₃OH(g)浓度随时间变化如图所示。

则0~10 min内，氢气的平均反应速率为        _______mol/(L·min)；第10 min后，保持温度不变，向该密闭容器中再充入1 mol CO₂(g)和1 mol H₂O(g)，则平衡         （填“正向”、“逆向”或“不”）移动。

（3）脱硫。利用Na₂SO₃溶液可脱除烟气中的SO₂。Na₂SO₃可由NaOH溶液吸收SO₂制得。NaOH溶液吸收SO₂的过程中，pH随n(SO₃^2-)︰n(HSO₃^﹣)变化关系如下表：

n(SO3^2﹣)︰n(HSO3^﹣)	91︰9	1︰1	9︰91
pH	8.2	7.2	6.2

①由上表判断，NaHSO₃溶液显   性，用化学平衡原理解释：             。

②当溶液呈中性时，离子浓度关系正确的是（选填字母）：      。

a．c(Na⁺)=2c(SO₃^2-)+c(HSO₃^-)

b．c(Na⁺) > c(HSO₃^-) > c(SO₃^2-) > c(H⁺) = c(OH^-)

c．c(Na⁺) + c(H⁺) = c(SO₃^2-) + c(HSO₃^-) + c(OH^-)

（4）利用下图所示装置(电极均为惰性电极)可吸收SO₂，用阴极排出的溶液可吸收NO₂。

①阳极的电极反应式为_________________。

②在碱性条件下，用阴极排出的溶液吸收NO₂，使其转化为无害气体，同时有生成。该反应中氧化剂与还原剂的物质的量之比为_______________。

Answer

（1）CH4（g）+2NO2（g）=N2（g）+CO2（g）+2H2O（g）△H=-867 kJ•mol-1（3分）

（2）0.225 （2分）； 正向（2分）

（3）①酸（2分） 溶液中存在：HSO3- SO32- ＋ H+ HSO3-＋H2O H2SO3＋OH- 电离程度大于水解程度，故溶液显酸性（3分）②ab（2分）

（4）①SO2 + 2H2O – 2e－== SO42－+ 4H＋ （3分） ②1:2 （3分）

【解析】

试题分析：（1）已知①CH4(g) ＋ 4NO2(g) ＝4NO(g) ＋ CO2(g) ＋ 2H2O(g) △H1＝－574 kJ·mol－1，②CH4(g) ＋ 4NO(g) ＝2N2(g) ＋ CO2(g) ＋ 2H2O(g) △H2＝－1160 kJ·mol－1，根据盖斯定律：（①+②）/2得甲烷直接将NO2还原为N2的热化学方程式为CH4（g）+2NO2（g）=N2（g）+CO2（g）+2H2O（g）△H=-867 kJ•mol-1。

（2）0~10 min内，氢气的平均反应速率v（H2）=3v（CH3OH）=3×0.75mol/L÷10min=0.225 mol/（L·min）；

根据三行式计算： CO2（g）＋3H2（g） CH3OH（g）＋H2O（g）

初始浓度（mol•L‾1） 1.00 3 0 0

转化浓度（mol•L‾1） 0.75 2.25 0.75 0.75

平衡浓度（mol•L‾1） 0.25 0.75 0.75 0.75

平衡常数K=0.75×0.75÷（0.25×0.753）=5.33，向该密闭容器中再充入1 mol CO2(g)和1 mol H2O(g)，浓度商Q=0.75×1.75÷（1.25×0.753）=2.49 < K，则平衡正向移动。

（3）①由表格中的数据可知，HSO3—越多，酸性越强，所以NaHSO3溶液显酸性；原因是溶液中存在：HSO3—SO32—＋H+ 、HSO3—＋H2OH2SO3＋OH—，电离程度大于水解程度，故溶液显酸性。②当溶液呈中性时，溶质为亚硫酸钠和亚硫酸氢钠，电离与水解的程度相等，a．由电荷守恒可知，c（H+）+c（Na+）═2c（SO32-）+c（HSO3-）+c（OH-），中性溶液则c（H+）═c（OH-），则c（Na+）═2c（SO32-）+c（HSO3-），正确；b．SO32-+H2O⇌HSO3-+OH-，HSO3-⇌H++SO32-，亚硫酸两步水解，则离子浓度为c（Na+）＞c（HSO3-）＞c（SO32-）＞c（H+）=c（OH-），正确；c．根据电荷守恒可得：c（Na+）+c（H+）═2c（SO32-）+c（HSO3-）+c（OH-），错误。

（4）①根据题给装置图分析，SO2在电解池的阳极发生氧化反应生成硫酸，电极反应式是SO2＋2H2O－2e－＝4H＋＋SO42－；②阴极排除的是S2O42－在与NO2的反应中S元素化合价从＋3价升高到＋4价，失去1个电子，则1molS2O42－失去2mol电子。NO2转化为无毒的气体应该是氮气，反应中氮元素化合价从＋4价降低到0价，得到4个电子，因此根据电子得失守恒可知氧化剂与还原剂的物质的量之比为1:2。

考点：考查热化学方程式的书写、盖斯定律，化学平衡，盐类的水解和电解原理。