Question

5．空氣和水的污染是人類生存的重大問題．國家擬于“十二五”期間，將二氧化硫（SO₂）排放量減少8%，氮氧化物（NO_x）排放量減少10%，2006年的新標準修訂水中硝酸鹽的含量為10毫克/升（與美國相同），考慮到全國各地的具體情況，又特別規(guī)定在使用地下水等條件受限時可放寬至20毫克/升．目前，消除大氣和水中的污染有多種方法．
（1）NO_x是汽車尾氣的主要污染物之一．汽車發(fā)動機工作時會引發(fā)N₂和O₂反應，其能量變化示意圖1：

①寫出N₂和O₂反應的熱化學方程式：N₂（g）+O₂（g）=2NO（g）△H=-120kJ•mol^-1．
②氧化還原法消除氮氧化物的轉化如下：NO$→_{反應Ⅰ}^{O_{3}}$NO₂$→_{反應Ⅱ}^{CO（NH_{2}）_{2}}$N₂，反應Ⅱ中，當n（NO₂）：n[CO（NH₂）₂]=3：2時，反應的化學方程式是6NO₂+4CO（NH₂）₂=7N₂+8H₂O+4CO₂．
（2）利用I₂O₅消除CO污染的反應為：5CO（g）+I₂O₅（s）?5CO₂（g）+I₂（s）；不同溫度下，向裝有足量
I₂O₅固體的2L恒容密閉容器中通入2mol CO，測得CO₂的物質的量分數（CO₂）隨時間t變化曲線如圖2．請回答下列問題：
①T₂溫度下，0.5min 內CO₂的平均速率為0.8mol•L^-1•min^-1，T₁時化學平衡常數K=1024．
②d點時，向恒容容器中充入2mol CO，再次平衡后，CO₂的百分含量不變（增大、減小或不變）
（3）碘循環(huán)工藝不僅能吸收SO₂降低環(huán)境污染，同時又能制得氫氣，具體流程如圖3：
①用離子方程式表示反應器中發(fā)生的反應SO₂+I₂+2H₂O=SO₄^2-+2I^-+4H⁺．
②用化學平衡移動的原理分析，在HI分解反應中使用膜反應器分離出H₂的目的是HI分解為可逆反應，及時分離出產物氫氣，有利于反應正向進行．
（4）催化反硝化法和電化學沉解法可用于治理水中硝酸鹽的污染．
①催化反硝化法中，用H₂將NO₃^-還原N₂，一段時間后，溶液的堿性明顯增強．則反應離子方程式為．
②電化學降解NO₃^-的原理如圖4，電源正極為A（填“A”或“B），陰極反應式為．

Answer 1

分析 （1）①根據能量變化圖計算反應熱，反應熱=反應物的鍵能和-生成物的鍵能和，從而書寫熱化學方程式；
②反應方程式中，化學計量數之比等于物質的量之比；
（2）①根據起始量和a點時CO₂的體積分數（即物質量分數），列式計算即可求出從反應開始至a點時的反應速率為v（CO）；根據b點時CO₂的體積分數φ（CO₂）求出CO和CO₂的平衡濃度進而求出T₁時化學平衡常數K；
②d點時，反應達到平衡狀態(tài)，向恒容容器中充入2mol CO，相當于增大容器中壓強，壓強增大對平衡無影響；
（3）①從流程圖可知，在反應器中，I₂氧化SO₂，生成硫酸和HI；
②HI分解是可逆反應，分離出氫氣有利于平衡正向移動；
（4）①用H₂ 將NO₃^- 還原為，一段時間后，溶液的堿性明顯增強，生成氫氧根離子硝酸根離子被還原為氮氣，結合電荷守恒配平書寫離子方程式；
②由圖示知在Ag-Pt電極上NO₃^-發(fā)生還原反應，因此Ag-Pt電極為陰極，則B為負極，A為電源正極；陰極反應是NO₃^-得電子發(fā)生還原反應生成N₂，利用電荷守恒與原子守恒知有氫離子參與反應且有水生成；

解答 解：（1）①該反應中的反應熱=反應物的鍵能和-生成物的鍵能和=1140-1260=-120kJ/mol，所以N₂和O₂反應生成NO的熱化學反應方程式為N₂（g）+O₂（g）=2NO（g）△H=-120kJ•mol^-1，
故答案為：N₂（g）+O₂（g）=2NO（g）△H=-120kJ•mol^-1；
②當n（NO₂）：n[CO（NH₂）₂]=3：2，即NO₂和CO（NH₂）₂的化學計量數之比是3：2，其方程式表示為：6NO₂+4CO（NH₂）₂=7N₂+8H₂O+4CO₂，
故答案為：6NO₂+4CO（NH₂）₂=7N₂+8H₂O+4CO₂；
（2）①a點時：5CO（g）+I₂O₅（s）?5CO₂（g）+I₂（s）
起始量/mol        2                                 0
轉化量/mol        x                                 x
a點量/mol        2-x                                 x
根據a點時CO₂的體積分數φ（CO₂）=$\frac{x}{2}$=0.40，得x=0.8mol
則從反應開始至a點時的反應速率為v（CO₂）=$\frac{\frac{0.8mol}{2L}}{0.5min}$=0.8mol•L^-1•min^-1，
故答案為：0.8mol•L^-1•min^-1；
②T₁時：5CO（g）+I₂O₅（s）?5CO₂（g）+I₂（s）
起始量/mol    4                                 0
轉化量/mol    y                                y
b點量/mol    4-y                                y
根據b點時CO₂的體積分數φ（CO₂）=$\frac{y}{4}$=0.80，
得y=3.2mol，c（CO）=0.4mol•L^-1，c（CO₂）=1.6mol•L^-1
T₁時化學平衡常數K=$\frac{{c}^{5}（C{O}_{2}）}{{c}^{5}（CO）}$=$\frac{1．{6}^{5}}{0．{4}^{5}}$=1024，
故答案為：0.8mol•L^-1•min^-1；1024；
②d點時，反應達到平衡狀態(tài)，5CO（g）+I₂O₅（s）?5CO₂（g）+I₂（s），反應前后氣體體積不變，向恒容容器中充入2mol CO，相當于壓強增大，對平衡無影響，平衡不變，CO₂的百分含量不變，
故答案為：不變；
（3）①從流程圖可知，在反應器中，I₂氧化SO₂，生成硫酸和HI，反應方程式為SO₂+I₂+2H₂O=SO₄^2-+2I^-+4H⁺，
故答案為：SO₂+I₂+2H₂O=SO₄^2-+2I^-+4H⁺；
②HI分解為可逆反應，及時分離出產物H₂，有利于反應正向進行，
故答案為：HI分解為可逆反應，及時分離出產物H₂，有利于反應正向進行．
（4）①用H₂ 將NO₃^- 還原為，一段時間后，溶液的堿性明顯增強，生成氫氧根離子硝酸根離子被還原為氮氣，結合電荷守恒配平書寫離子方程式2NO₃^-+3H₂$\frac{\underline{\;催化劑\;}}{\;}$N₂+2OH^-+4H₂O；
故答案為：2NO₃^-+3H₂$\frac{\underline{\;催化劑\;}}{\;}$N₂+2OH^-+4H₂O；
②由圖示知在Ag-Pt電極上NO₃^-發(fā)生還原反應，因此Ag-Pt電極為陰極，則B為負極，A為電源正極；在陰極反應是NO₃^-得電子發(fā)生還原反應生成N₂，利用電荷守恒與原子守恒知有H₂O參與反應且有水生成，
所以陰極上發(fā)生的電極反應式為：2NO₃^-+12H⁺+10e^-=N₂+6H₂O，
故答案為：A，2NO₃^-+12H⁺+10e^-=N₂+6H₂O．

點評 本題綜合考查化學反應速率和化學平衡常數的相關計算、化學平衡移動原理，為高考常見題型，側重于學生的分析能力和計算能力的考查，綜合性很強，難度較大，注意把握化學平衡常數的計算以及平衡移動的影響．