Question

3．利用化學(xué)原理對(duì)廢氣、廢水進(jìn)行脫硝、脫碳處理，可實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保、廢物利用，對(duì)構(gòu)建生態(tài)文明有重要意義．
Ⅰ．脫硝：
（1）H₂還原法消除氮氧化物
已知：N₂（g）+2O₂（g）=2NO₂（g）△H=+133KJ•mol^-1
H₂O（g）=H₂O（l）△H=-44KJ•mol^-1
H₂的燃燒熱為285.8KJ•mol^-1
在催化劑存在下，H₂還原NO₂生成水蒸氣和氮?dú)獾臒峄瘜W(xué)方程式為4H₂（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+4H₂O（g）△H=-1100.2kJ•mol^-1．
（2）用NH₃催化還原法消除氮氧化物，發(fā)生反應(yīng)：4NH₃（g）+6NO（g）?5N₂（g）+6H₂O（l）△H＜0
相同條件下，在2L恒容密閉容器中，選用不同催化劑，產(chǎn)生N₂的量隨時(shí)間變化如圖1所示．

①計(jì)算0～4分鐘在A催化劑作用下，
反應(yīng)速率v（NO）=0.375mol•L^-1•min^-1．
②下列說(shuō)法正確的是CD．
A．該反應(yīng)的活化能大小順序是：E_a（A）＞E_a（B）＞E_a（C）
B．增大壓強(qiáng)能使反應(yīng)速率加快，是因?yàn)樵黾恿嘶罨�分子百分�(jǐn)?shù)
C．單位時(shí)間內(nèi)H-O鍵與N-H鍵斷裂的數(shù)目相等時(shí)，說(shuō)明反應(yīng)已達(dá)到平衡
D．若反應(yīng)在恒容絕熱的密閉容器中進(jìn)行，當(dāng)K值不變時(shí)，說(shuō)明已達(dá)到平衡
（3）微生物燃料電池（MFC）是一種現(xiàn)代化氨氮去除技術(shù)．圖2為MFC碳氮聯(lián)合同時(shí)去除的氮轉(zhuǎn)化系統(tǒng)原理示意圖．
①已知A、B兩極生成CO₂和N₂的物質(zhì)的量之比為5：2，寫出A極的電極反應(yīng)式CH₃COO^--8e^-+2H₂O=2CO₂↑+7H⁺．
②解釋去除NH₄⁺的原理NH₄⁺在好氧微生物反應(yīng)器中轉(zhuǎn)化為NO₃^-，NO₃^-在MFC電池正極轉(zhuǎn)化為N₂．
Ⅱ．脫碳：
（4）用甲醇與CO反應(yīng)生成醋酸可消除CO污染．常溫下，將a mol•L^-1醋酸與bmol•L^-1 Ba（OH）₂溶液等體積混合，充分反應(yīng)后，溶液中存在2c（Ba²⁺）=c（CH₃COO^-），忽略溶液體積變化，計(jì)算醋酸的電離常數(shù)K_a=$\frac{2b}{a-2b}$×10^-7L/mol（用含a、b的代數(shù)式表示）．

Answer 1

分析 （1）依據(jù)熱化學(xué)方程式和蓋斯定律計(jì)算所得熱化學(xué)方程式；
（2）①已知4分鐘時(shí)氮?dú)鉃?.5mol，則消耗的NO為3mol，根據(jù)v（NO）=$\frac{△c}{△t}$計(jì)算；
②A．相同時(shí)間內(nèi)生成的氮?dú)獾奈镔|(zhì)的量越多，則反應(yīng)速率越快，活化能越低；
B．改變壓強(qiáng)，活化分子百分?jǐn)?shù)不變；
C．單位時(shí)間內(nèi)H-O鍵斷裂表示逆速率，N-H鍵斷裂表示正速率，正逆速率相同則反應(yīng)已經(jīng)達(dá)到平衡；
D．該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，恒容絕熱的密閉容器中，反應(yīng)時(shí)溫度會(huì)升高，則K會(huì)減�。�
（3）①圖示分析可知微生物燃料電池中氫離子移向B電極，說(shuō)明A為原電池的負(fù)極，B為原電池的正極，NO₃^-離子在正極得到電子生成氮?dú)獍l(fā)生還原反應(yīng)，CH₃COO^-在原電池負(fù)極失電子生成二氧化碳?xì)怏w，發(fā)生氧化反應(yīng)，環(huán)境為酸性介質(zhì)；
②NH₄⁺在好氧微生物反應(yīng)器中轉(zhuǎn)化為NO₃^-，硝酸根離子在原電池正極發(fā)生還原反應(yīng)生成氮?dú)猓?br />（4）溶液等體積混合溶質(zhì)濃度減少一半，醋酸電離平衡常數(shù)與濃度無(wú)關(guān)，結(jié)合K=$\frac{c（C{H}_{3}CO{O}^{-}）•c（{H}^{+}）}{c（C{H}_{3}COOH）}$計(jì)算．

解答 解：Ⅰ． 已知：H₂的熱值為142.9KJ•g^-1 ，燃燒熱為285.8KJ/mol，
①H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=H₂O（l）△H=-285.8kJ/mol
②N₂（g）+2O₂（g）=2NO₂（g）△H=+133kJ•mol^-1
③H₂O（g）=H₂O（l）△H=-44kJ•mol^-1
根據(jù)蓋斯定律，①×4-②-③×4得到催化劑存在下，H₂還原NO₂生成水蒸氣和其它無(wú)毒物質(zhì)的熱化學(xué)方程式為4H₂（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+4H₂O（g）△H=-1100.2kJ•mol^-1，
故答案為：4H₂（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+4H₂O（g）△H=-1100.2kJ•mol^-1；
（2）①已知4分鐘時(shí)氮?dú)鉃?.5mol，則消耗的NO為3mol，所以v（NO）=$\frac{\frac{3mol}{2L}}{4min}$=0.375mol•L^-1•min^-1，
故答案為：0.375mol•L^-1•min^-1；
②A．相同時(shí)間內(nèi)生成的氮?dú)獾奈镔|(zhì)的量越多，則反應(yīng)速率越快，活化能越低，所以該反應(yīng)的活化能大小順序是：E_a（A）＜E_a（B）＜E_a（C），故A錯(cuò)誤；
B．增大壓強(qiáng)能使反應(yīng)速率加快，是因?yàn)樵龃罅嘶罨�分子�?shù)，而活化分子百分?jǐn)?shù)不變，故B錯(cuò)誤；
C．單位時(shí)間內(nèi)H-O鍵斷裂表示逆速率，N-H鍵斷裂表示正速率，單位時(shí)間內(nèi)H-O鍵與N-H鍵斷裂的數(shù)目相等時(shí)，則消耗的NH₃和消耗的水的物質(zhì)的量之比為4：6，則正逆速率之比等于4：6，說(shuō)明反應(yīng)已經(jīng)達(dá)到平衡，故C正確；
D．該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，恒容絕熱的密閉容器中，反應(yīng)時(shí)溫度會(huì)升高，當(dāng)溫度不變時(shí)，說(shuō)明反應(yīng)已經(jīng)達(dá)到平衡，故D正確；
故答案為：CD；
（3）①圖示分析可知微生物燃料電池中氫離子移向B電極，說(shuō)明A為原電池的負(fù)極，B為原電池的正極，NO₃^-離子在正極得到電子生成氮?dú)獍l(fā)生還原反應(yīng)，CH₃COO^-在原電池負(fù)極失電子生成二氧化碳?xì)怏w，發(fā)生氧化反應(yīng)，環(huán)境為酸性介質(zhì)，則A極的電極反應(yīng)式為：CH₃COO^--8e^-+2H₂O═2CO₂+7H⁺，B電極反應(yīng)式為：2NO₃^-+12H⁺+10e^-═N₂+6H₂O，
故答案為：CH₃COO^--8e^-+2H₂O═2CO₂+7H⁺；
②NH₄⁺在好氧微生物反應(yīng)器中轉(zhuǎn)化為NO₃^-：NH₄⁺+2O₂═NO₃^-+2H⁺+H₂O，硝酸根離子在原電池正極發(fā)生還原反應(yīng)生成氮?dú)猓?NO₃^-+12H⁺+10e^-═N₂+6H₂O，
故答案為：NH₄⁺在好氧微生物反應(yīng)器中轉(zhuǎn)化為NO₃^-，NO₃^-在MFC電池正極轉(zhuǎn)化為N₂；
（4）反應(yīng)平衡時(shí)，2c（Ba²⁺）=c（CH₃COO^-）=bmol/L，據(jù)電荷守恒可知：c（H⁺）=c（OH^-）=10^-7mol/L，溶液呈中性，則醋酸電離平衡常數(shù)為K=$\frac{c（C{H}_{3}CO{O}^{-}）•c（{H}^{+}）}{c（C{H}_{3}COOH）}$=$\frac{b×1{0}^{-7}}{\frac{a}{2}-b}$=$\frac{2b}{a-2b}$×10^-7，
故答案為：$\frac{2b}{a-2b}$×10^-7L/mol．

點(diǎn)評(píng) 本題考查較為綜合，涉及物質(zhì)的量隨計(jì)算變化的曲線、化學(xué)平衡常數(shù)的計(jì)算、反應(yīng)熱與焓變的應(yīng)用、化學(xué)反應(yīng)速率的計(jì)算等知識(shí)，題目難度較大，明確化學(xué)平衡及其影響為解答關(guān)鍵，試題知識(shí)點(diǎn)較多、綜合性較強(qiáng)，充分考查了學(xué)生的分析、理解能力及綜合應(yīng)用能力．