Question

【題目】氮氧化物是造成酸雨、臭氧空洞、光化學(xué)煙霧等環(huán)境問(wèn)題的主要原因之一。如何消除大氣污染物中氮氧化物已成為人們關(guān)注的主要問(wèn)題之一。

I.NH3-SCR法是工業(yè)上消除氮氧化物的常用方法。該法是利用氨的還原性，在一定條件下，將煙氣中的NOx直接還原為N2。

主要反應(yīng)原理為：4NH3+4NO+O24N2+6H2O

（1）已知有下列熱化學(xué)方程式：

①4NH3(g)+4NO(g)+O2(g)4N2(g)+6H2O(1) △H =-1891.5kJmol-1

②N2(g)+O2(g)2NO(g) △H =+180.5kJmol-1

③H2O(1)=H2O(g) △H =+44.0kJmol-1

則氨氣與氧氣反應(yīng)生成NO和氣態(tài)水的熱化學(xué)方程式為_________________________________。

（2）其他條件相同，某2 L密閉容器中分別投入2 mol NH3、2 mol NO、1 mol O2，在甲、乙兩種催化劑作用下，NO轉(zhuǎn)化率與溫度的關(guān)系如圖所示。

①工業(yè)上選擇催化劑乙的原因是_________________。

②在催化劑甲作用下，高于210℃時(shí)，NO轉(zhuǎn)化率降低的原因可能是_______________________。

Ⅱ.CH4可以消除氮氧化物的污染。主要反應(yīng)原理為：CH4(g)+2NO2(g)= CO2(g)+2H2O(g)+ N2(g) △H=-868.7kJmol-1

（3）在3.00L密閉容器中，通入0.100mol CH4和0.200mol NO2，在一定溫度下進(jìn)行上述反應(yīng)，反應(yīng)時(shí)間(t)與容器內(nèi)氣體總壓強(qiáng)(P) 的數(shù)據(jù)見(jiàn)下表：

反應(yīng)時(shí)間t/min	0	2	4	6	8	10
總壓強(qiáng)P/100kPa	4.80	5.44	5.76	5.92	6.00	6.00

由表中數(shù)據(jù)，計(jì)算0-4min內(nèi)v(NO2)=____________，該溫度下的平衡常數(shù)K=________________。

（4）在一恒容裝置中，通入一定量CH4和NO2，測(cè)得在相同時(shí)間內(nèi)和不同溫度下，NO2的轉(zhuǎn)化率α(NO2)如下圖，則下列敘述正確的是_____________

A.若溫度維持在200℃更長(zhǎng)時(shí)間，NO2的轉(zhuǎn)化率將大于19%

B.反應(yīng)速率：b點(diǎn)的v(逆)>e點(diǎn)的v(逆)

C.平衡常數(shù)： c點(diǎn)=d點(diǎn)

D.在時(shí)間t內(nèi)，提高c點(diǎn)時(shí)NO2的轉(zhuǎn)化率和反應(yīng)速率，可適當(dāng)升溫或增大c(CH4)

Ⅲ.工業(yè)上也常采用電解的方法消除氮氧化物的污染。

（5）清華大學(xué)曹天宇等人研究的基于固體氧化物電解池(SOEC)的NOx電化學(xué)還原技術(shù)，為大氣污染物治理開(kāi)拓了新穎的思路。SOEC反應(yīng)器的工作原理如圖所示。電源的a 是________極。寫(xiě)出陰極的電極反應(yīng)式：__________________________________。

Answer 1

【答案】 4NH3(g)+5O2(g)=4NO(g)+6H2O(g) ΔH=- 905.5kJ·mol-1 低溫下有很強(qiáng)的催化活性（或在較大的溫度范圍內(nèi)有較高催化活性） 溫度超出了催化劑的活性溫度范圍；溫度升高發(fā)生了副反應(yīng)，該反應(yīng)是放熱反應(yīng)，達(dá)到平衡后升高溫度，平衡逆向移動(dòng)等 0.0100mol·L-l·min-1 0.675mol·L-1 AD 正 2NO+4e-=N2+2O2- O2+4e-=2O2-

【解析】（1）①＋4×②＋6×③得到：4NH3(g) + 5O2(g) = 4NO(g) + 6H2O(g) ΔH=- 905.5kJ·mol-1。

（2）①?gòu)膱D中看出，乙催化劑在較低溫度下就可以達(dá)到較好的催化效果，所以工業(yè)上會(huì)使用乙催化劑。

②當(dāng)溫度高于210℃的時(shí)候，在催化劑甲的作用下，NO的轉(zhuǎn)化率降低，其原因可能是：在較高溫度下，催化劑的催化活性降低，反應(yīng)的NO減少，轉(zhuǎn)化率降低；也可能是反應(yīng)已經(jīng)達(dá)平衡，升高溫度平衡逆向移動(dòng)，轉(zhuǎn)化率降低；另外一種可能性是，溫度升高，發(fā)生副反應(yīng)，所以轉(zhuǎn)化率降低。

（3）恒溫恒容下，容器的壓強(qiáng)比等于氣體的物質(zhì)的量的比。

CH4(g) + 2NO2(g) = CO2(g) + 2H2O(g) + N2(g)

起始： 0.100 0.200 0 0 0

反應(yīng)： X 2X X 2X X

4min： 0.100－X 0.200－2X X 2X X

所以起始有0.3mol氣體，4min時(shí)有(0.3+X) mol氣體，有0.3∶(0.3+X)=4.80∶5.76，解得X=0.0600。所以反應(yīng)的NO2為0.120mol，速率為：0.120mol÷3L÷4min=0.0100mol·L-l·min-1。

達(dá)到平衡時(shí)的壓強(qiáng)為6.00，所以有：

CH4(g) + 2NO2(g) = CO2(g) + 2H2O(g) + N2(g)

起始： 0.100 0.200 0 0 0

反應(yīng)： X 2X X 2X X

平衡： 0.100－X 0.200－2X X 2X X

所以起始有0.3mol氣體，平衡時(shí)有(0.3+X) mol氣體，有0.3∶(0.3+X)=4.80∶6，解得X=0.075。所以達(dá)平衡時(shí)CH4、NO2、CO2、H2O、N2的物質(zhì)的量分別為0.025mol、0.05mol、0.075mol、0.15mol、0.075mol；平衡常數(shù)K=0.675mol·L-1。

（4）實(shí)驗(yàn)的測(cè)定過(guò)程為：在一恒容裝置中，通入一定量CH4和NO2，測(cè)在相同時(shí)間內(nèi)和不同溫度下，NO2的轉(zhuǎn)化率α(NO2)。所以實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的是不同溫度下，反應(yīng)相同時(shí)間后，NO2的轉(zhuǎn)化率，不一定是平衡轉(zhuǎn)化率。所以溫度較低的時(shí)候，反應(yīng)較慢，此時(shí)間沒(méi)有達(dá)平衡，那么反應(yīng)速率較快的，反應(yīng)的NO2多，轉(zhuǎn)化率就高（a、b、c三點(diǎn)符合此要求）；溫度較高時(shí)，反應(yīng)快，此時(shí)間達(dá)到平衡態(tài)，則溫度升高平衡逆向移動(dòng)，轉(zhuǎn)化率降低（d、e兩點(diǎn)符合此要求）。由上，a點(diǎn)（200℃，轉(zhuǎn)化率為19%）未達(dá)平衡，則如果反應(yīng)時(shí)間再長(zhǎng)一些，反應(yīng)的NO2就會(huì)增加，轉(zhuǎn)化率會(huì)高于19%，選項(xiàng)A正確。e點(diǎn)的溫度高于b點(diǎn)所以速率應(yīng)該高于b點(diǎn)，選項(xiàng)B錯(cuò)誤。點(diǎn)c和點(diǎn)d的溫度不等，則平衡常數(shù)一定不等，選項(xiàng)C錯(cuò)誤。點(diǎn)c未達(dá)平衡，所以在不改變反應(yīng)時(shí)間的前提下，升高溫度加快反應(yīng)速率，在相同時(shí)間內(nèi)反應(yīng)更多的NO2，提高NO2的轉(zhuǎn)化率；增大甲烷的濃度一定加快速率，平衡正向移動(dòng)，提高NO2的轉(zhuǎn)化率，選項(xiàng)D正確。所以答案為AD。

（5）電解時(shí)陰離子應(yīng)該向正極移動(dòng)，根據(jù)圖示的O2-的移動(dòng)方向，確定上面是電解的陽(yáng)極，所以a是電源的正極。陰極的反應(yīng)物是NO、O2，從圖中得到，陰極應(yīng)該生成O2-，所以反應(yīng)為（該裝置是去污染裝置，所以NO應(yīng)該轉(zhuǎn)化為氮?dú)猓��?/span>2NO+4e-=N2+2O2-；O2+4e-=2O2-。