Question

4．汽车尾气的主要成分有CO、SO₂、氮氧化物等，科研工作者目前正在尝试以二氧化钛（TiO₂）催化分解汽车尾气的研究．
（1）已知：2NO（g）+O₂（g）═2NO₂（g）△H₁=-113.0KJ/mol
2SO₂（g）+O₂（g）═2SO₃（1）△H₂=-288.4KJ/mol
请判断反应NO₂（g）+SO₂（g）═NO（g）+SO₃（1）△H₃，在低温下能否自发进行，并说明理由经计算△H₃=（113.0-288.4）×0.5=-87.7KJ/mol＜0，且可判断反应的△S＜0，故在低温下可自发进行．
（2）已知TiO₂催化尾气降解原理为：
2CO（g）+O₂（g）?2CO₂（g）；
2H₂O（g）+4NO（g）+O₂（g）?4HNO₃（g）．
Ⅰ．在O₂浓度几乎不变的条件下，模拟CO、NO的降解，得到降解率随时间变化如图1所示（A的降解率=$\frac{c（A）初始-c（A）实验结束}{c（A）初始}$），反应40秒后检测气体浓度有所降低，请用化学方程式结合化学反应原理知识解释出现该现象可能的原因40秒后发生反应2NO=N₂+O₂生成氮气，并且NO浓度降低，则2H₂O+4NO+O₂?4HNO₃平衡逆向移动，造成HNO₃浓度降低．

Ⅱ．图2为在不同颗粒间隙的沥青混凝土（α、β型）和不同温度下，实验进行相同一段时间（t秒）后测得的CO降解率变化，回答谢列问题：
①已知50℃、t秒时容器中O₂浓度为0.01mol/L，求此温度下CO降解反应的平衡常数$\frac{100{x}^{2}}{（1-x）^{2}}$．
②下列关于图2的叙述不正确的是
A．根据降解率由b点到c点随温度的升高而增大，可知CO降解反应的平衡常数K_b＜K_c
B．相同温度下β型沥青混凝土中CO降解速率比α型要大
C．a点的数据反映出CO与O₂之间所发生的有效碰撞频率是整个实验过程中最高的
D．d点降解率出现突变的原因可能是温度升高后催化剂失效
③科研团队以β型沥青混凝土颗粒为载体，将TiO₂改为催化效果更好的TiO₂纳米管，在10-60℃范围内进行实验，请在图2中用线段与阴影仿照“示例”描绘出CO降解率随温度变化的曲线可能出现的最大区域范围（示例： ）．
（3）TiO₂纳米管的制备是在弱酸性水溶液中以金属钛为阳极进行电解，写出阳极的电极反应式Ti-4e^-+2H₂O=TiO₂+4H⁺．

Answer 1

分析 （1）据△G=△H-T△S来判断，若△G＜0则能自发进行；
（2）Ⅰ．据平衡移动来分析；
Ⅱ．①k=$\frac{{c}^{2}（C{O}_{2}）}{{c}^{2}（CO）c（{O}_{2}）}$进行计算；
②A．平衡常数是温度的函数，温度升高向吸热方向进行，即向逆反应方向进行，k=$\frac{{c}^{2}（C{O}_{2}）}{{c}^{2}（CO）c（{O}_{2}）}$，故k减小；
B．相同温度下β型沥青混凝土中CO降解速率比α型要大；
C．a点的数据反映出CO降解率是整个实验过程中最高的；
D．d点降解率出现突变的原因可能是温度升高后催化剂失效；
③据催化剂能加快化学反应速率，但不影响平衡移动画图；
（3）据阳极失去电子发生氧化反应书写电极反应方程式．

解答 解：（1）①2NO（g）+O₂（g）═2NO₂（g）△H₁=-113.0KJ/mol
②2SO₂（g）+O₂（g）═2SO₃（1）△H₂=-288.4KJ/mol，则$\frac{1}{2}×①+\frac{1}{2}×②$得NO₂（g）+SO₂（g）═NO（g）+SO₃（1）△H₃═-87.7KJ/mol＜0，且可判断反应的△S＜0，故在低温下△G=△H-T△S＜0能自发进行，
故答案为：经计算△H₃=（113.0-288.4）×0.5=-87.7KJ/mol＜0，且可判断反应的△S＜0，故在低温下可自发进行；
（2）Ⅰ．可能的原因是40秒后发生反应2NO=N₂+O₂生成氮气，并且NO浓度降低，则2H₂O+4NO+O₂?4HNO₃平衡逆向移动，造成HNO₃浓度降低，
故答案为：40秒后发生反应2NO=N₂+O₂生成氮气，并且NO浓度降低，则2H₂O+4NO+O₂?4HNO₃平衡逆向移动，造成HNO₃浓度降低；
Ⅱ．①CO的降解率为x，设起始CO浓度为1mol/L，
                2CO（g）+O₂（g）?2CO₂（g）
开始（c）      1                            0
变化              x           $\frac{1}{2}$ x            x                             
平衡             1-x          0.1             x，k=$\frac{{c}^{2}（C{O}_{2}）}{{c}^{2}（CO）c（{O}_{2}）}$=$\frac{{x}^{2}}{0．{1}^{2}×（1-x）^{2}}$=$\frac{100{x}^{2}}{（1-x）^{2}}$，
故答案为：$\frac{100{x}^{2}}{（1-x）^{2}}$；
②A．平衡常数是温度的函数，温度升高向吸热方向进行，即向逆反应方向进行，k=$\frac{{c}^{2}（C{O}_{2}）}{{c}^{2}（CO）c（{O}_{2}）}$，故k减小，即K_b＞K_c，故A错误；
B．由图得，相同温度下β型沥青混凝土中CO降解速率比α型要大，故B正确；
C．a点的数据反映出CO降解率是整个实验过程中最高的，故C错误；
D．d点降解率出现突变的原因可能是温度升高后催化剂失效，故D正确；
故答案为：AC；
③据催化剂能加快化学反应速率，但不影响平衡移动，故图为，
故答案为：；
（3）阳极失去电子发生氧化反应，故电极反应方程式为Ti-4e^-+2H₂O=TiO₂+4H⁺，

故答案为：Ti-4e^-+2H₂O=TiO₂+4H⁺．

点评 本题考查利用△G=△H-T△S来判断反应能否自发进行，平衡常数，电极反应方程式的书写等，本题难度中等．