Question

4．汽車尾氣的主要成分有CO、SO₂、氮氧化物等，科研工作者目前正在嘗試以二氧化鈦（TiO₂）催化分解汽車尾氣的研究．
（1）已知：2NO（g）+O₂（g）═2NO₂（g）△H₁=-113.0KJ/mol
2SO₂（g）+O₂（g）═2SO₃（1）△H₂=-288.4KJ/mol
請判斷反應NO₂（g）+SO₂（g）═NO（g）+SO₃（1）△H₃，在低溫下能否自發(fā)進行，并說明理由經(jīng)計算△H₃=（113.0-288.4）×0.5=-87.7KJ/mol＜0，且可判斷反應的△S＜0，故在低溫下可自發(fā)進行．
（2）已知TiO₂催化尾氣降解原理為：
2CO（g）+O₂（g）?2CO₂（g）；
2H₂O（g）+4NO（g）+O₂（g）?4HNO₃（g）．
Ⅰ．在O₂濃度幾乎不變的條件下，模擬CO、NO的降解，得到降解率隨時間變化如圖1所示（A的降解率=$\frac{c（A）初始-c（A）實驗結(jié)束}{c（A）初始}$），反應40秒后檢測氣體濃度有所降低，請用化學方程式結(jié)合化學反應原理知識解釋出現(xiàn)該現(xiàn)象可能的原因40秒后發(fā)生反應2NO=N₂+O₂生成氮氣，并且NO濃度降低，則2H₂O+4NO+O₂?4HNO₃平衡逆向移動，造成HNO₃濃度降低．

Ⅱ．圖2為在不同顆粒間隙的瀝青混凝土（α、β型）和不同溫度下，實驗進行相同一段時間（t秒）后測得的CO降解率變化，回答謝列問題：
①已知50℃、t秒時容器中O₂濃度為0.01mol/L，求此溫度下CO降解反應的平衡常數(shù)$\frac{100{x}^{2}}{（1-x）^{2}}$．
②下列關于圖2的敘述不正確的是
A．根據(jù)降解率由b點到c點隨溫度的升高而增大，可知CO降解反應的平衡常數(shù)K_b＜K_c
B．相同溫度下β型瀝青混凝土中CO降解速率比α型要大
C．a(chǎn)點的數(shù)據(jù)反映出CO與O₂之間所發(fā)生的有效碰撞頻率是整個實驗過程中最高的
D．d點降解率出現(xiàn)突變的原因可能是溫度升高后催化劑失效
③科研團隊以β型瀝青混凝土顆粒為載體，將TiO₂改為催化效果更好的TiO₂納米管，在10-60℃范圍內(nèi)進行實驗，請在圖2中用線段與陰影仿照“示例”描繪出CO降解率隨溫度變化的曲線可能出現(xiàn)的最大區(qū)域范圍（示例： ）．
（3）TiO₂納米管的制備是在弱酸性水溶液中以金屬鈦為陽極進行電解，寫出陽極的電極反應式Ti-4e^-+2H₂O=TiO₂+4H⁺．

Answer 1

分析 （1）據(jù)△G=△H-T△S來判斷，若△G＜0則能自發(fā)進行；
（2）Ⅰ．據(jù)平衡移動來分析；
Ⅱ．①k=$\frac{{c}^{2}（C{O}_{2}）}{{c}^{2}（CO）c（{O}_{2}）}$進行計算；
②A．平衡常數(shù)是溫度的函數(shù)，溫度升高向吸熱方向進行，即向逆反應方向進行，k=$\frac{{c}^{2}（C{O}_{2}）}{{c}^{2}（CO）c（{O}_{2}）}$，故k減小；
B．相同溫度下β型瀝青混凝土中CO降解速率比α型要大；
C．a(chǎn)點的數(shù)據(jù)反映出CO降解率是整個實驗過程中最高的；
D．d點降解率出現(xiàn)突變的原因可能是溫度升高后催化劑失效；
③據(jù)催化劑能加快化學反應速率，但不影響平衡移動畫圖；
（3）據(jù)陽極失去電子發(fā)生氧化反應書寫電極反應方程式．

解答 解：（1）①2NO（g）+O₂（g）═2NO₂（g）△H₁=-113.0KJ/mol
②2SO₂（g）+O₂（g）═2SO₃（1）△H₂=-288.4KJ/mol，則$\frac{1}{2}×①+\frac{1}{2}×②$得NO₂（g）+SO₂（g）═NO（g）+SO₃（1）△H₃═-87.7KJ/mol＜0，且可判斷反應的△S＜0，故在低溫下△G=△H-T△S＜0能自發(fā)進行，
故答案為：經(jīng)計算△H₃=（113.0-288.4）×0.5=-87.7KJ/mol＜0，且可判斷反應的△S＜0，故在低溫下可自發(fā)進行；
（2）Ⅰ．可能的原因是40秒后發(fā)生反應2NO=N₂+O₂生成氮氣，并且NO濃度降低，則2H₂O+4NO+O₂?4HNO₃平衡逆向移動，造成HNO₃濃度降低，
故答案為：40秒后發(fā)生反應2NO=N₂+O₂生成氮氣，并且NO濃度降低，則2H₂O+4NO+O₂?4HNO₃平衡逆向移動，造成HNO₃濃度降低；
Ⅱ．①CO的降解率為x，設起始CO濃度為1mol/L，
                2CO（g）+O₂（g）?2CO₂（g）
開始（c）      1                            0
變化              x           $\frac{1}{2}$ x            x                             
平衡             1-x          0.1             x，k=$\frac{{c}^{2}（C{O}_{2}）}{{c}^{2}（CO）c（{O}_{2}）}$=$\frac{{x}^{2}}{0．{1}^{2}×（1-x）^{2}}$=$\frac{100{x}^{2}}{（1-x）^{2}}$，
故答案為：$\frac{100{x}^{2}}{（1-x）^{2}}$；
②A．平衡常數(shù)是溫度的函數(shù)，溫度升高向吸熱方向進行，即向逆反應方向進行，k=$\frac{{c}^{2}（C{O}_{2}）}{{c}^{2}（CO）c（{O}_{2}）}$，故k減小，即K_b＞K_c，故A錯誤；
B．由圖得，相同溫度下β型瀝青混凝土中CO降解速率比α型要大，故B正確；
C．a(chǎn)點的數(shù)據(jù)反映出CO降解率是整個實驗過程中最高的，故C錯誤；
D．d點降解率出現(xiàn)突變的原因可能是溫度升高后催化劑失效，故D正確；
故答案為：AC；
③據(jù)催化劑能加快化學反應速率，但不影響平衡移動，故圖為，
故答案為：；
（3）陽極失去電子發(fā)生氧化反應，故電極反應方程式為Ti-4e^-+2H₂O=TiO₂+4H⁺，

故答案為：Ti-4e^-+2H₂O=TiO₂+4H⁺．

點評 本題考查利用△G=△H-T△S來判斷反應能否自發(fā)進行，平衡常數(shù)，電極反應方程式的書寫等，本題難度中等．