Question

【題目】SO2、NOx的含量是衡量大氣污染的一個(gè)重要指標(biāo)。工業(yè)上常采用催化還原法或吸收法處理SO2，催化還原SO2不僅可以消除SO2污染，而且可以得到有價(jià)值的中單質(zhì)硫，采取氨水吸收NOx的方法去除NOx的污染，生成硝酸按。

(1)已知CH4和S的燃燒熱分別為a kJ/mol和bkJ/mol。在復(fù)合組分催化劑作用下，甲烷可使SO2轉(zhuǎn)化為S，同時(shí)生成CO2和液態(tài)水，該反應(yīng)的熱化方程式為___________。

(2)用H2還原SO2生成S的反應(yīng)分兩步完成，如圖甲所示，該過程中相關(guān)物質(zhì)的物質(zhì)的量濃度隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖乙所示：

分析可知X為____________（寫化學(xué)式）；0-t1時(shí)間段的反應(yīng)溫度為____________，0-t1時(shí)間段用SO2表示的化學(xué)反應(yīng)速率為______________________。

(3)焦炭催化還原SO2生成S2的化學(xué)方程式為 2C(s)+2SO2 (g)=S2(g)+2CO2(g)。在恒容容器中，濃度為1mol/L的SO2與足量焦炭反應(yīng)，SO2的轉(zhuǎn)化率隨溫度的變化如圖丙所示。700℃時(shí)該反應(yīng)的平衡常數(shù)為____________。

(4)25℃時(shí)，用1mol/L的Na2SO3溶液吸收SO2，當(dāng)溶液的pH=7時(shí)，溶液中各離子濃度的大小關(guān)系為_____________。（已知：H2SO3的電離常數(shù)Ka1=1.3×10-2，Ka2=6.2×10-8）

(5)利用雙離子交換膜電解法可以從含硝酸銨的工業(yè)廢水里生產(chǎn)硝酸和氨。陽極室得到的物質(zhì)是______，寫出陽極反應(yīng)方程式_______________________；陰極室得到的物質(zhì)是_____________，寫出陰極反應(yīng)及獲得相應(yīng)物質(zhì)的方程式______________、________________。

Answer 1

【答案】CH4(g)+2SO2(g)=CO2(g)+2S(s)+2H2O(l) △H=+(2b-a)kJ/mol H2S 300℃ mol/(L·min) 36.45 c(Na+)>c(HSO3-)>c(SO32-)>c(H+)=c(OH-) 硝酸 2H2O-4e-=4H++O2↑或4OH--4e-=2H2O+O2↑ 氨 2H2O+2e-=H2↑+2OH-或 2H++2e-=H2↑ NH4++OH-=NH3+H2O或 NH4++OH-=NH3·H2O

【解析】

(1)先寫出CH4和S的燃燒熱的熱化學(xué)方程式，然后將兩個(gè)熱化學(xué)方程式疊加，可得需求的熱化學(xué)方程式。

(2)根據(jù)氧化還原反應(yīng)原理分析；0-t1時(shí)間段，X的濃度達(dá)到最大，應(yīng)是圖1左側(cè)反應(yīng)，方程式為3H2+SO2=H2S+2H2O，溫度為300℃；根據(jù)v=計(jì)算；

(3)a點(diǎn)為700℃時(shí)SO2的轉(zhuǎn)化率為90%，根據(jù)平衡常數(shù)的含義計(jì)算。

(4)當(dāng)吸收液呈中性時(shí)溶質(zhì)為亞硫酸鈉和亞硫酸氫鈉，根據(jù)電離水解能力和電荷守恒分析；

(5)從含硝酸銨的工業(yè)廢水里生產(chǎn)硝酸和氨，則為硝酸銨中NO3-與H+結(jié)合生成硝酸，NH4+與OH-結(jié)合生成氨，實(shí)際在電解水，陽極為水電離產(chǎn)生的OH-失去電子發(fā)生氧化反應(yīng)，陰極為水電離產(chǎn)生的H+得到電子發(fā)生還原反應(yīng)，據(jù)此可得。

(1)已知CH4和S的燃燒熱分別為akJ/mol和bkJ/mol，可知熱化學(xué)方程式：

①CH4(g)+2O2(g)=CO2(g)+2H2O(l) △H=akJ/mol

②S(s)+O2(g)=SO2(g) △H=bkJ/mol

由蓋斯定律①-②×2可得CH4(g)+2SO2(g)=CO2(g)+2S(s)+2H2O(l) △H=+(2b-a)kJ/mol；

(2)圖1右圖SO2→S，S元素的化合價(jià)降低，根據(jù)氧化還原反應(yīng)特點(diǎn)，化合價(jià)有升高，必然有降低，因此推出X為H2S；0-t1時(shí)間段，X的濃度達(dá)到最大，應(yīng)是圖1左側(cè)反應(yīng)，方程式為3H2+SO2=H2S+2H2O，溫度為300℃；根據(jù)化學(xué)反應(yīng)速率的表達(dá)式，v(SO2)==mol/(L·min)；

(3)由圖可知，a點(diǎn)為700℃時(shí)SO2的轉(zhuǎn)化率為90%，則根據(jù)方程式2C(s)+2SO2(g)=S2(g)+2CO2(g)中物質(zhì)的轉(zhuǎn)化關(guān)系可知平衡時(shí)各種物質(zhì)的濃度c(SO2)=0.1mol/L，c(S2)=0.45mol/L，c(CO2)=0.9mol/L，所以700℃時(shí)該反應(yīng)的平衡常數(shù)K==36.45 mol/L；

(4)已知：H2SO3的電離常數(shù)Ka1=1.3×10-2，Ka2=6.2×10-8，則亞硫酸鈉的水解平衡常數(shù)為Kh==，亞硫酸氫鈉的電離常數(shù)為6.2×10-8，小于亞硫酸鈉的水解平衡常數(shù)，當(dāng)吸收液呈中性時(shí)溶質(zhì)為亞硫酸鈉和亞硫酸氫鈉，電離與水解的程度相等，呈中性時(shí)，亞硫酸氫根離子濃度大于亞硫酸根離子濃度，溶液中氫離子濃度等于氫氧根離子濃度，溶液中陰陽離子所帶電荷相等，則c(Na+)>c(HSO3-)>c(SO32-)>c(H+)=c(OH-)；

(5)從含NH4NO3的工業(yè)廢水里生產(chǎn)硝酸和氨，則為硝酸銨中NO3-與H+結(jié)合生成硝酸，NH4+與OH-結(jié)合生成氨，實(shí)際在電解水，則陽極為水失去電子發(fā)生氧化反應(yīng)為：2H2O-4e-=4H++O2↑或4OH--4e-=2H2O+O2↑，NO3-與H+結(jié)合生成硝酸；陰極為水得到電子發(fā)生還原反應(yīng)：2H2O+2e-=H2↑+2OH-或 2H++2e-=H2↑，NH4+與OH-結(jié)合生成氨。