Question

【題目】SO2、NOx的含量是衡量大氣污染的一個重要指標。工業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，而且可以得到有價值的中單質硫，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。在復合組分催化劑作用下，甲烷可使SO2轉化為S，同時生成CO2和液態水，該反應的熱化方程式為___________。

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

分析可知X為____________（寫化學式）；0-t1時間段的反應溫度為____________，0-t1時間段用SO2表示的化學反應速率為______________________。

(3)焦炭催化還原SO2生成S2的化學方程式為 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，SO2的轉化率隨溫度的變化如圖丙所示。700℃時該反應的平衡常數為____________。

(4)25℃時，用1mol/L的Na2SO3溶液吸收SO2，當溶液的pH=7時，溶液中各離子濃度的大小關系為_____________。（已知：H2SO3的電離常數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廢水里生產硝酸和氨。陽極室得到的物質是______，寫出陽極反應方程式_______________________；陰極室得到的物質是_____________，寫出陰極反應及獲得相應物質的方程式______________、________________。

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的燃燒熱的熱化學方程式，然后將兩個熱化學方程式疊加，可得需求的熱化學方程式。

(2)根據氧化還原反應原理分析；0-t1時間段，X的濃度達到最大，應是圖1左側反應，方程式為3H2+SO2=H2S+2H2O，溫度為300℃；根據v=計算；

(3)a點為700℃時SO2的轉化率為90%，根據平衡常數的含義計算。

(4)當吸收液呈中性時溶質為亞硫酸鈉和亞硫酸氫鈉，根據電離水解能力和電荷守恒分析；

(5)從含硝酸銨的工業廢水里生產硝酸和氨，則為硝酸銨中NO3-與H+結合生成硝酸，NH4+與OH-結合生成氨，實際在電解水，陽極為水電離產生的OH-失去電子發生氧化反應，陰極為水電離產生的H+得到電子發生還原反應，據此可得。

(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元素的化合價降低，根據氧化還原反應特點，化合價有升高，必然有降低，因此推出X為H2S；0-t1時間段，X的濃度達到最大，應是圖1左側反應，方程式為3H2+SO2=H2S+2H2O，溫度為300℃；根據化學反應速率的表達式，v(SO2)==mol/(L·min)；

(3)由圖可知，a點為700℃時SO2的轉化率為90%，則根據方程式2C(s)+2SO2(g)=S2(g)+2CO2(g)中物質的轉化關系可知平衡時各種物質的濃度c(SO2)=0.1mol/L，c(S2)=0.45mol/L，c(CO2)=0.9mol/L，所以700℃時該反應的平衡常數K==36.45 mol/L；

(4)已知：H2SO3的電離常數Ka1=1.3×10-2，Ka2=6.2×10-8，則亞硫酸鈉的水解平衡常數為Kh==，亞硫酸氫鈉的電離常數為6.2×10-8，小于亞硫酸鈉的水解平衡常數，當吸收液呈中性時溶質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，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的工業廢水里生產硝酸和氨，則為硝酸銨中NO3-與H+結合生成硝酸，NH4+與OH-結合生成氨，實際在電解水，則陽極為水失去電子發生氧化反應為：2H2O-4e-=4H++O2↑或4OH--4e-=2H2O+O2↑，NO3-與H+結合生成硝酸；陰極為水得到電子發生還原反應：2H2O+2e-=H2↑+2OH-或 2H++2e-=H2↑，NH4+與OH-結合生成氨。