Question

11．汽车尾气的主要成分有CO、SO₂、NO、NO₂等．
（1）利用氨水可以将SO₂、NO₂吸收，原理如图1所示．
请写出NO₂被吸收反应的离子方程式2NO₂+4HSO₃^-═N₂+4SO₄^2-+4H⁺．
（2）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：
反应Ⅰ：Ⅰ：2NO（g）+O₂（g）═2NO₂（g）△H₁ =-113.0 kJ•molˉ¹
反应Ⅱ：2SO₂（g）+O₂（g）═2SO₃（1）△H₂ =-288.4 kJ•molˉ¹
反应Ⅲ：3NO₂（g）+H₂O（g）═2HNO₃+2NO（g）△H₃ =-138.0 kJ•molˉ¹
则反应NO₂（g）+SO₂（g）═NO（g）+SO₃（1）△H₄=-87.7 kJ/mol
②已知TiO2催化尾气降解原理可表示为：
2CO（g）+O₂（g）?2CO₂（g）△H₅；
2H₂O（g）+4NO（g）+3O₂（g）?4HNO₃（g）△H₆．
在O₂、H₂O（g）浓度一定条件下，模拟CO、NO的降解，得到其降解率（即转化率）如图2所示．请解释t s后NO降解率下降的可能原因随着反应的进行，可能发生反应2NO=N₂+O₂生成氮气，NO浓度降低，使平衡2H₂O+4NO+3O₂?4HNO₃向逆反应方向移动．
（3）沥青混凝土也可降解CO．图3为在不同颗粒间隙的沥青混凝土（α、β型）在不同温度下，反应相同时间，测得CO降解率变化．结合图2回答下列问题：
①已知在50℃时在α型沥青混凝土容器中，平衡时O₂浓度为00.01mol•L^-1，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的叙述正确的是BC
A．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＜Kc
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．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．
（4）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）根据流程图知，NO₂与NH₄HSO₃反应，+4价的氮氧化+4价的硫，NO₂被NH₄HSO₃吸收生成N₂，NO₂得电子被还原，则HSO₃^-被氧化生成SO₄^2-，据此书写离子方程式；
（2）①根据已知方程式构建目标方程式，根据盖斯定律计算反应热；
②根据平衡移动原理来分析，减少反应物浓度，平衡逆向移动；
（3）①化学平衡常数为生成物浓度系数次幂的乘积与反应物浓度系数次幂乘积的比值；
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；
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．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；
（4）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）根据流程图知，NO₂被NH₄HSO₃吸收生成N₂，N元素化合价由+4价变为0价，NO₂得电子被还原，则HSO₃^-失电子被氧化，被氧化生成SO₄^2-，反应的方程式为：4NH₄HSO₃+2NO₂=N₂+4NH₄HSO₄，离子方程式为2NO₂+4HSO₃^-═N₂+4SO₄^2-+4H⁺，
故答案为：2NO₂+4HSO₃^-═N₂+4SO₄^2-+4H⁺；
（2）①反应Ⅰ：2NO（g）+O₂（g）═2NO₂（g）△H₁ =-113.0 kJ/mol
反应Ⅱ：2SO₂（g）+O₂（g）═2SO₃（1）△H₂ =-288.4 kJ/mol
根据盖斯定律（Ⅱ-Ⅰ）×$\frac{1}{2}$得反应NO₂（g）+SO₂（g）═NO（g）+SO₃（1），则△H₄=[（-288.4 kJ/mol）-（-113.0 kJ/mol）]×$\frac{1}{2}$=-87.7 kJ/mol
故答案为：-87.7 kJ/mol；
②可能的原因是t s后发生反应2NO=N₂+O₂生成氮气，并且NO浓度降低，2H₂O+4NO+O₂?4HNO₃平衡逆向移动，造成HNO₃浓度降低，
故答案为：随着反应的进行，可能发生反应2NO=N₂+O₂生成氮气，NO浓度降低，使平衡2H₂O+4NO+3O₂?4HNO₃向逆反应方向移动；
（3）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．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C正确；
故答案为：BC；

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：；
（4）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 本题考查反应热的计算、平衡移动原理的应用，平衡常数，电极反应方程式的书写等知识，注意平衡移动原理的应用，该题难点为（3）②作图，本题难度中等．