Question

【題目】環(huán)境污染影響人類生存，治理污染是化學(xué)工作者研究的重要課題。

Ⅰ．汽車尾氣主要成分有CO、SO2、氮氧化物等，科學(xué)家目前正嘗試用二氧化鈦(TiO2)催化分解汽車尾氣。

（1）已知：2NO(g)+O2==2NO2(g) ΔH1=113.0 kJmol1

2SO2(g)+O2(g)==2SO3(l) ΔH2=288.4 kJmol1

請(qǐng)判斷反應(yīng)NO2(g)+SO2(g)==NO(g)+SO3 (l)，在低溫下能否自發(fā)進(jìn)行，并說(shuō)明理由 。

（2）已知TiO2催化汽車尾氣降解的原理為：

2CO(g)+O2(g)2CO2(g)；4NO(g)+3O2(g)+2H2O(g)4HNO3(g)。

①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(shí)間變化如圖1所示。反應(yīng)40秒后檢測(cè)到混合氣體中N2濃度明顯上升而HNO3(g)濃度有所降低，請(qǐng)用化學(xué)方程式并結(jié)合化學(xué)反應(yīng)原理解釋出現(xiàn)該現(xiàn)象的可能原因 。

②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(shí)驗(yàn)進(jìn)行相同一段時(shí)間(t秒)后測(cè)得的CO降解率變化。已知50℃、t秒時(shí)容器中O2濃度為0.01 molL1，求此溫度下在α型瀝青混凝土中CO降解反應(yīng)的平衡常數(shù) 。

③下列關(guān)于圖2 的說(shuō)法不正確的是 。

A．根據(jù)降解率由b到c隨溫度的升高而增大，可知CO降解反應(yīng)的平衡常數(shù)Kb＜Kc

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(diǎn)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(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中最高的

D．d點(diǎn)降解率出現(xiàn)突變的原因可能是溫度升高后催化劑失效

Ⅱ．對(duì)燃煤煙氣的脫硫、脫硝處理是環(huán)境科學(xué)研究的熱點(diǎn)。

（3）工業(yè)上采用尿素[CO(NH2)2]濕法進(jìn)行脫硫和脫硝，其過(guò)程表示如下：

①上述過(guò)程中脫硫反應(yīng)的化學(xué)方程式為 。

②尿素溶液中存在如下反應(yīng)：CO(NH2)2(aq)＋H2ONH2COONH4(aq) (ΔH＜0)，研究表明，增大溶液中NH2COONH4的濃度會(huì)使脫硫速率明顯加快，因此工業(yè)生產(chǎn)中常將溫度控制在60℃左右，原因是：溫度過(guò)低，該反應(yīng)進(jìn)行很慢，使溶液中NH2COONH4的含量較少； (請(qǐng)將原因補(bǔ)充完整)。

③工業(yè)上常用NaOH溶液吸收法脫硝，化學(xué)方程式為：NO+NO2+2NaOH==2NaNO2+H2O，2NO2+2NaOH=NaNO2+NaNO3+H2O，現(xiàn)有平均組成為NOx的NO、NO2混合氣體，通入足量的NaOH溶液中，充分反應(yīng)后沒(méi)有氣體剩余，則x的取值范圍為 ；反應(yīng)后溶液中n(NO2)︰n(NO3)= (用含x的代數(shù)式表示)。

Answer 1

【答案】（1）經(jīng)計(jì)算ΔH=(113.0288.4) kJmol1×0.5=87.7 kJmol1＜0，且可判斷該反應(yīng)的ΔS＜0，故在低溫下可自發(fā)進(jìn)行(2分)

（2）①40秒后發(fā)生反應(yīng)2NO==N2+O2，生成氮?dú)?/span>，并且NO濃度降低，平衡4NO(g)+3O2(g)+ 2H2O(g) 4HNO3(g)逆向移動(dòng)，造成HNO3濃度降低 (2分)

②(2分) ③AC(2分)

（3）①2SO2+O2+ 2CO(NH2)2+4H2O==2(NH4)2SO4+2CO2 (2分)

②溫度過(guò)高，平衡逆移，也會(huì)使生成的NH2COONH4濃度下降(2分)

③ 1.5≤x＜2 (1分) (52x)︰(2x3) (1分)

【解析】Ⅰ．（1）反應(yīng)NO2(g)+SO2(g)==NO(g)+SO3 (l)的焓變?chǔ)?/span>H=(ΔH2ΔH1)×=(113.0288.4) kJmol1×=87.7 kJmol1＜0，根據(jù)物質(zhì)狀態(tài)可知，該反應(yīng)為氣體分子數(shù)減小的反應(yīng)，則ΔS＜0，ΔHTΔS＜0，故該反應(yīng)在低溫下可自發(fā)進(jìn)行。

（2）①40秒后N2濃度上升，應(yīng)為NO分解引起：2NO==N2+O2，NO分解同時(shí)引起NO濃度降低，則平衡4NO(g)+3O2(g)+ 2H2O(g)4HNO3(g)逆向移動(dòng)，造成HNO3濃度降低。

②從圖像看，50℃、t秒時(shí)已達(dá)到平衡狀態(tài)，CO轉(zhuǎn)化率為x，設(shè)CO的初始濃度為a，則其平衡濃度為a(1x)，由化學(xué)方程2CO(g)+O2(g)2CO2(g)可得CO2的平衡濃度為ax，已知O2濃度為0.01 molL1，代入平衡常數(shù)表達(dá)式進(jìn)行計(jì)算可得50℃下CO降解反應(yīng)的平衡常數(shù)。

③圖2中無(wú)論型α型還是β型，降解率達(dá)到最大值后，隨著溫度升高降解率反而下降，說(shuō)明CO降解反應(yīng)2CO(g)+O2(g)2CO2(g)是放熱反應(yīng)，平衡后升高溫度，則平衡逆向移動(dòng)，CO降解率降低。A．α型對(duì)應(yīng)曲線，c點(diǎn)之前未達(dá)到平衡狀態(tài)，隨著溫度升高，反應(yīng)速率增大，則相同時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)化的CO增多，即CO降解率增大；對(duì)于放熱反應(yīng)，升高溫度平衡逆向移動(dòng)，平衡常數(shù)減小，則Kb＞Kc，故A不正確。B．從圖上看，相同溫度下β型曲線位于α型曲線上方，說(shuō)明相同溫度下β型瀝青混凝土中CO降解速率比α型要大，故B正確。C．有效碰撞頻率最高，說(shuō)明反應(yīng)速率最大，事實(shí)上溫度升高使反應(yīng)速率增大，則c、d點(diǎn)的反應(yīng)速率更大，故C不正確。D．d點(diǎn)降解率直線下降至零，則CO幾乎不能降解，說(shuō)明此時(shí)溫度較高，催化劑已失效，故D正確。

Ⅱ．（3）①由圖3可知，脫硫反應(yīng)中SO2轉(zhuǎn)化為(NH4)2SO4，同時(shí)煙氣中的O2也參與反應(yīng)，作為氧化劑把SO2氧化，碳元素應(yīng)轉(zhuǎn)化為CO2，配平后的化學(xué)方程式為：2SO2 + O2 + 2CO(NH2)2 + 4H2O == 2(NH4)2SO4 + 2CO2。

②為保證氨基甲酸銨的產(chǎn)量，不但要從反應(yīng)速度方面考慮，還要從反應(yīng)程度方面考慮，因該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，所以控溫的另一個(gè)原因是：溫度過(guò)高，平衡逆移，會(huì)使NH2COONH4的濃度下降。

③混合氣體通入足量的NaOH溶液中，充分反應(yīng)后沒(méi)有氣體剩余，根據(jù)化學(xué)方程式NO+NO2+2NaOH==2NaNO2+H2O2NO2+2NaOH==NaNO2+NaNO3+H2O分析，必須滿足n(NO2)︰n(NO)≥1的條件。當(dāng)n(NO2)︰n(NO)=1時(shí)，則NO、NO2混合氣體的平均組成為NO1.5，即x=1.5；當(dāng)只有NO2時(shí)，x=2；故x取值范圍為1.5≤x＜2。NOx被NaOH溶液完全吸收，根據(jù)得失電子守恒配平化學(xué)方程式得2NOx+2NaOH==(52x)NaNO2+(2x3)NaNO3 +H2O，故反應(yīng)后溶液中n(NO2)︰n(NO3)=(52x)︰(2x3)。