Question

16．煤炭燃燒過程中會釋放出大量的SO₂，嚴重破壞生態(tài)環(huán)境．采用一定的脫硫技術可以把硫元素以CaSO₄的形式固定，從而降低SO₂的排放．但是煤炭燃燒過程中產生的CO又會與CaSO₄發(fā)生化學反應，降低脫硫效率．相關反應的熱化學方程式如下：
CaSO₄（s）+CO（g）?CaO（s）+SO₂（g）+CO₂（g）△H₁=218.4kJ•mol^-1（反應Ⅰ）
CaSO₄（s）+4CO（g）?CaS（s）+4CO₂（g）△H₂=-175.6kJ•mol^-1（反應Ⅱ）
請回答下列問題：
（1）反應Ⅰ能自發(fā)進行的條件是較高溫度下．
（2）對于氣體參與的反應，表示平衡常數K_p時用氣體組分（B）的平衡壓強p（B）代替該氣體物質的量濃度c（B），則反應Ⅱ的K_p=$\frac{{P}^{4}（C{O}_{2}）}{{P}^{4}（CO）}$（用表達式表示）．
（3）假設某溫度下，反應Ⅰ的速率（v₁）大于反應Ⅱ的速率（v₂），則下列反應過程能量變化示意圖正確的是圖1中的C．

（4）通過監(jiān)測體系中氣體濃度的變化判斷反應Ⅰ和Ⅱ是否同時發(fā)生，理由有無二氧化硫可知反應I是否發(fā)生，如c（CO₂）=c（SO₂），則反應II未發(fā)生，如c（CO₂）＞c（SO₂），則反應同時發(fā)生．
（5）圖2為實驗測得不同溫度下反應體系中CO初始體積百分數與平衡時固體產物中CaS質量百分數的關系曲線．則降低該反應體系中SO₂生成量的措施有ABC．
A．向該反應體系中投入石灰石              B．在合適的溫度區(qū)間內控制較低的反應溫度
C．提高CO的初始體積百分數               D．提高反應體系的溫度
（6）①用CH₄催化還原NO_x可以消除氮氧化物的污染．己知：
CH₄（g）+2NO₂（g）═N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-955kJ•mol^-1
CH₄（g）+2O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-890.3l kJ•mol^-1
2NO（g）+O₂（g）═2NO₂（g）△H=-112.97kJ•mol^-1
寫出CH₄（g）催化還原NO（g）生成N₂（g）、CO₂（g）和H₂O（l）的熱化學方程式：CH₄（g）+4NO（g）=2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-1245.63 kJ/mol．
②依據原電池的構成原理，下列化學反應在理論上可以設計成原電池的是D．
A．C（s）+CO₂（g）═2CO（g）△H＞0    B．NaOH（aq）+HCl（aq）═NaCl（aq）+H₂O（l）△H＜0
C．2H₂O（l）═2H₂（g）+O₂（g）△H＞0   D．CH₄（g）+2O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（l）△H＜0
若以稀硫酸為電解質溶液，則該原電池的正極反應式為O₂+4H⁺+4e^-=2H₂O．

Answer 1

分析 （1）反應能自發(fā)進行，應滿足△H-T•△S＜0；
（2）表示平衡常數Kp時用氣體組分（B）的平衡壓強p（B）代替該氣體物質的量的濃度c（B），可根據平衡常數的表達式書寫，平衡常數等于氣體生成物濃度冪之積除以氣體反應物濃度冪之積；
（3）反應Ⅰ為吸熱反應，反應Ⅱ為放熱反應，結合反應物與生成物總能量大小之間的關系判斷；
（4）反應Ⅰ生成SO₂和CO₂，反應Ⅱ只生成CO₂，如同時發(fā)生，則兩種氣體的濃度比會隨時間發(fā)生變化；
（5）由反應Ⅰ可知生成二氧化硫的反應為吸熱反應，則低溫下不利于生成二氧化硫；
（6）①依據熱化學方程式和蓋斯定律計算得到CH₄（g）催化還原NO（g）生成N₂（g）、CO₂（g）和H₂O（l）的熱化學方程式；
②依據原電池的構成原理，下列化學反應在理論上可以設計成原電池需要是自發(fā)進行的氧化還原反應；只有D符合；在酸溶液中甲烷燃料電池中燃料在負極發(fā)生氧化反應，氧氣在正極得到電子發(fā)生還原反應生成二氧化碳和水；

解答 解：（1）反應Ⅰ吸熱，則△H＞0，由方程式可知△＞0，反應能自發(fā)進行，應滿足△H-T•△S＜0，則應在較高溫度下進行，故答案為：較高溫度下；
（2）由題意可知，反應Ⅱ的Kp=$\frac{{P}^{4}（C{O}_{2}）}{{P}^{4}（CO）}$，故答案為：$\frac{{P}^{4}（C{O}_{2}）}{{P}^{4}（CO）}$；
（3）反應Ⅰ為吸熱反應，反應Ⅱ為放熱反應，則A、D錯誤；反應Ⅰ的速率（v₁）大于反應Ⅱ的速率（v₂），則反應Ⅱ的活化能較大，則B錯誤、C正確，
故答案為：C；
（4）反應Ⅰ生成SO₂和CO₂，反應Ⅱ只生成CO₂，如同時發(fā)生，則兩種氣體的濃度比隨時間會發(fā)生變化，有無二氧化硫可知反應I是否發(fā)生，如c（CO₂）=c（SO₂），則反應II未發(fā)生，如c（CO₂）＞c（SO₂），則反應同時發(fā)生，
故答案為：有無二氧化硫可知反應I是否發(fā)生，如c（CO₂）=c（SO₂），則反應II未發(fā)生，如c（CO₂）＞c（SO₂），則反應同時發(fā)生；
（5）A．向該反應體系中投入石灰石，可使更多的二氧化硫轉化為硫酸鈣，減少二氧化硫的排放，故A正確；
B．由反應Ⅰ可知生成二氧化硫的反應為吸熱反應，則低溫下不利于生成二氧化硫，則應在合適的溫度區(qū)間內控制較低的反應溫度，故B正確；
C．由圖象可知，提高CO的初始體積百分數，增大CaS的質量分數，減少二氧化硫的排放，故C正確；
D．提高反應體系的溫度，不利于二氧化硫的減少，故D錯誤．
故答案為：ABC；
（6）①Ⅰ．CH₄（g）+2NO₂（g）═N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-955kJ•mol^-1
Ⅱ．CH₄（g）+2O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-890.3l kJ•mol^-1
Ⅲ.2NO（g）+O₂（g）═2NO₂（g）△H=-112.97kJ•mol^-1
依據熱化學方程式和蓋斯定律計算（Ⅰ+Ⅲ）×2-Ⅱ得到反應的熱化學方程式為：CH₄（g）+4NO（g）=2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-1245.63 kJ/mol，
故答案為：CH₄（g）+4NO（g）=2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-1245.63 kJ/mol；
②設計成原電池需要是自發(fā)進行的氧化還原反應；
A．C（s）+CO₂（g）=2CO（g）是非自發(fā)進行的氧化還原反應，故A不選；
B．NaOH（aq）+HCl（aq）=NaCl（aq）+H₂O（l），反應是復分解反應，不是氧化還原反應，故B不選；
C．2H₂O（l）=2H₂（g）+O₂（g），反應是非自發(fā)進行的氧化還原反應，故c不選；
D．CH₄（g）+2O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l），是自發(fā)進行的氧化還原反應，可以設計成原電池，故D選；
D反應是甲烷燃料電池，在酸溶液中甲烷燃料電池中燃料在負極發(fā)生氧化反應，氧氣在正極得到電子發(fā)生還原反應；
負極電極反應為：CH₄-8e^-+2H₂O=CO₂+8H⁺，正極電極反應為：O₂+4H⁺+4e^-=2H₂O；
故答案為：D，O₂+4H⁺+4e^-=2H₂O；

點評 本題涉及化學平衡影響因素、反應熱與焓變、原電池原理的考查，側重于學生的分析能力和計算能力的考查，題目較為綜合，涉及面廣，題目難度中等．