Question

14．霧霾天氣嚴(yán)重影響人們的生活，氮氧化物和硫氧化物是造成霧霾的主要原因之一．
Ⅰ．將PM2.5樣本用蒸餾水處理制成待測試樣．
（1）某同學(xué)測得該樣本所含水溶性無機離子的化學(xué)組分及其平均濃度列出下表：（若缺少的離子用H⁺或OH^-補充）：

離子	K+	Na+	NH4+	SO32-	NO3-	Cl-
濃度/mol•L-1	7×10-6	3×10-6	2×10-5	3×10-5	5×10-5	2×10-5

根據(jù)表中數(shù)據(jù)判斷該試樣的pH=4；該表有一處筆誤，請你指正表中用亞硫酸根離子表示濃度有錯，應(yīng)用亞硫酸氫根離子表示．
Ⅱ．消除氮氧化物和硫化物有多種方法．
【方法一】：工業(yè)上變“廢”為寶，吸收工業(yè)尾氣SO₂和NO，可獲得Na₂S₂O₄（連二亞硫酸鈉）和NH₄NO₃ 產(chǎn)品的流程圖如圖（Ce為鈰元素）：

（2）裝置Ⅰ中的主要反應(yīng)的離子方程式為SO₂+OH^-=HSO₃^-．
（3）裝置Ⅲ可以使Ce⁴⁺中再生，若用甲烷燃燒電池電解該裝置中的溶液，當(dāng)消耗24g甲烷時，理論上可再生12mol Ce⁴⁺．
（4）利用噴霧干燥法脫硫工藝是除去SO₂的常見方法，先將含SO₂的廢氣溶于水，再用飽和石灰漿吸收，
該溫度下，吸收液中c（Ca²⁺）一直保持為0.70mol/L，已知Ksp（CaSO₃）=1.4×10^-7．求吸收液中的SO₃^2-的濃度2.0×10^-7mol/L．（結(jié)果保留2位有效數(shù)字）
【方法二】：NH₃催化還原氮氧化物（SCR）技術(shù)是目前應(yīng)用最廣泛的煙氣氮氧化物脫除技術(shù)．反應(yīng)原理如圖所示：

（5）圖乙是不同催化劑Mn和Cr在不同溫度下對應(yīng)的脫氫率，由圖綜合考慮可知最佳的催化劑和相應(yīng)的溫度分別為Mn、200℃左右．
（6）用Fe做催化劑時，在氨氣足量的情況下，不同$\frac{c（N{O}_{2}）}{c（NO）}$=1：1脫氫效果最佳．已知生成11.2L N₂（標(biāo)）反應(yīng)放出的熱量為QkJ，此時對應(yīng)的脫氫反應(yīng)的熱化學(xué)方程式為2NH₃（g）+NO（g）+NO₂（g）=2N₂（g）+3H₂O（g）△H=-4QkJ•mol^-1．
【方法二】用活性炭還原法可以處理氮氧化物．
反應(yīng)原理：1/2C（s）+NO（g）═1/2N₂（g）+1/2CO₂（g）△H=-QkJ/mol在T1℃時，反應(yīng)進(jìn)行到不同的時間測得各物質(zhì)的濃度如下：

時間（min） 濃度（mol/L-1）	0min	10min	20min	30min	40min	50min
NO（mol/L-1）	1.00	0.58	0.40	0.40	0.48	0.48
N2（mol/L-1）	0	0.21	0.30	0.30	0.36	0.36
CO2（mol/L-1）	0	0.21	0.30	0.30	0.36	0.36

（7）T₁℃時，該反應(yīng)的平衡常數(shù)K=0.75．
（8）30min后，只改變某一條件，反應(yīng)重新達(dá)到平衡，根據(jù)上表中的數(shù)據(jù)判斷改變的條件可能是通入一定量的NO或適當(dāng)縮小容器的體積或增大壓強或通入等物質(zhì)的量的CO₂和N₂．

Answer 1

分析 Ⅰ．（1）依據(jù)電荷守恒，結(jié)合表中數(shù)據(jù)，負(fù)電荷總數(shù)多于正電荷，所以溶液中還應(yīng)有氫離子，亞硫酸根離子與氫離子不能大量共存，依據(jù)電荷守恒，可計算出溶液中氫離子濃度，再計算pH值即可；
Ⅱ．（2）二氧化硫是酸性氧化物，能和強堿之間發(fā)生反應(yīng)；
（3）1molCe³⁺再生轉(zhuǎn)化為Ce⁴⁺，提供電子為1mol，1mol甲烷完全燃燒，轉(zhuǎn)移電子為mol，據(jù)此解答即可；
（4）根據(jù)硫酸鈣的溶度積常數(shù)表達(dá)式Ksp（CaSO₃）=c（Ca²⁺）•c（SO₃^2-）進(jìn)行計算；
（5）溫度越高，對設(shè)備的要求越高，所以如果催化劑在較低溫度下能較大程度的脫氫即可；根據(jù)縱坐標(biāo)判斷，相同溫度下，脫氫率越高的效果越好；
（6）根據(jù)生成11.2L N₂（標(biāo)）即0.5mol反應(yīng)放出的熱量為QkJ，則生成2mol氮氣放出4QkJ熱量，據(jù)此書寫熱化學(xué)方程式；
（7）T_l℃時，由表格數(shù)據(jù)可知20min達(dá)到平衡，平衡濃度c（N₂）=0.3mol/L、c（CO₂）=0.3mol/L、c（NO）=0.4mol/L，以此計算反應(yīng)的平衡常數(shù)；
（8）30min后，只改變某一條件，反應(yīng)重新達(dá)到平衡，1/2C（s）+NO（g）═1/2N₂（g）+1/2CO₂（g），由圖表數(shù)據(jù)分析，平衡狀態(tài)物質(zhì)濃度增大，平衡常數(shù)K′═$\frac{\sqrt{0.36×0.36}}{0.48}$=0.75，平衡常數(shù)不變，則結(jié)合濃度增大的影響因素來解答．

解答 解：Ⅰ、（1）根據(jù)表中數(shù)據(jù)，負(fù)電荷總數(shù)多于正電荷，根據(jù)溶液中遵循電荷守恒：c（K⁺）+c（NH₄⁺）+c（Na⁺）+c（H⁺）=2c（SO₄^2-）+c（NO₃^-）+c（Cl^-），即：3×10^-6+7×10^-6+3×10^-5+c（H⁺）=2×3×10^-5+5×10^-5+2×10^-5，解c（H⁺）=10^-4mol•L^-1，pH值為4，溶液呈酸性，而亞硫酸根離子與氫離子不能大量共存，故表中用亞硫酸根離子表示濃度有錯，應(yīng)用亞硫酸氫根離子表示，
故答案為：4；表中用亞硫酸根離子表示濃度有錯，應(yīng)用亞硫酸氫根離子表示；
Ⅱ．（2）二氧化硫是酸性氧化物，能和強堿氫氧化鈉之間發(fā)生反應(yīng)：SO₂+OH^-=HSO₃^-，NO和氫氧化鈉之間不會反應(yīng)，
故答案為：SO₂+OH^-=HSO₃^-；
（3）1molCe³⁺再生轉(zhuǎn)化為Ce⁴⁺，提供電子為1mol，甲烷燃料電池中，在堿性溶液中，甲烷燃料電池的負(fù)極反應(yīng)式為CH₄-8e^-+10OH^-═CO₃^2-+7H₂O，消耗24g甲烷時，轉(zhuǎn)移電子數(shù)為12mol，每生成1molCe⁴⁺，提供電子為1mol，所以當(dāng)消耗24g甲烷時，理論上可再生12mol Ce⁴⁺．，
故答案為：12；
（4）根據(jù)硫酸鈣的溶度積常數(shù)表達(dá)式Ksp（CaSO₃）=c（Ca²⁺）•c（SO₃^2-）可知，c（SO₃^2-）=$\frac{Ksp（CaSO{\;}_{3}）}{c（Ca{\;}^{2+}）}$=$\frac{1.4×10{\;}^{-7}}{0.7}$mol/L=2.0×10^-7mol/L，
故答案為：2.0×10^-7mol/L．
（5）根據(jù)圖乙知Mn催化劑時，在200℃左右脫氮率最高，Cr作催化劑，500℃左右脫氮率最高，但二者的最高脫氮率差不多，使用Mn作催化劑需要的溫度低，更經(jīng)濟(jì)，因此使用的最佳的催化劑和相應(yīng)的溫度分別為Mn、200℃左右，
故答案為：Mn、200℃左右；
（6）脫氮效果最佳時c（NO₂）：c（NO）=1：1，生成11.2L N₂（標(biāo)）即0.5mol反應(yīng)放出的熱量為QkJ，則生成2mol氮氣放出4QkJ熱量，因此反應(yīng)的熱化學(xué)方程式為2NH₃（g）+NO（g）+NO₂（g）=2N₂ （g）+3H₂O（g）△H=-4Q kJ•mol^-1，
故答案為：2NH₃（g）+NO（g）+NO₂（g）=2N₂ （g）+3H₂O（g）△H=-4Q kJ•mol^-1；
（7）T_l℃時，由表格數(shù)據(jù)可知20min達(dá)到平衡，平衡濃度c（N₂）=0.3mol/L、c（CO₂）=0.3mol/L、c（NO）=0.4mol/L，根據(jù)反應(yīng)1/2C（s）+NO（g）═1/2N₂（g）+1/2CO₂（g），則K=$\frac{\sqrt{0.3×0.3}}{0.4}$=0.75，
故答案為：0.75；
（8）30min后，只改變某一條件，反應(yīng)重新達(dá)到平衡，C（s）+2NO（g）?N₂（g）+CO₂（g），由圖表數(shù)據(jù)分析，平衡狀態(tài)物質(zhì)濃度增大，平衡常數(shù)K′═$\frac{\sqrt{0.36×0.36}}{0.48}$=0.75，平衡常數(shù)隨溫度變化，平衡常數(shù)不變說明改變的條件一定不是溫度；由氮氣濃度增大，二氧化碳和一氧化氮濃度增大，反應(yīng)前后氣體體積不變，則改變的條件可能是通入一定量的NO或適當(dāng)縮小容器的體積或增大壓強或通入等物質(zhì)的量的CO₂和N₂，
故答案為：通入一定量的NO或適當(dāng)縮小容器的體積或增大壓強或通入等物質(zhì)的量的CO₂和N₂．

點評 本題考查較綜合，涉及氧化還原反應(yīng)、化學(xué)平衡計算、原電池等，側(cè)重化學(xué)反應(yīng)原理的綜合應(yīng)用能力的考查，綜合性較強，題目難度中等．