Question

11．超音速飛機在平流層飛行時，尾氣中的NO會破壞臭氧層．科學家正在研究利用催化技術將尾氣中的NO和CO轉變成CO₂和N₂，化學方程式如下：2NO（g）+2CO（g）$\stackrel{催化劑}{?}$2CO₂（g）+N₂（g）△H＜0
為了測定在某種催化劑作用下的反應速率，在某溫度下用氣體傳感器測得不同時間的NO和CO濃度如表：

時間（s）	0	1	2	3	4	5
c（NO） （mol/L）	1.00×10-3	4.50×10-4	2.50×10-4	1.50×10-4	1.00×10-4	1.00×10-4
c（CO） （mol/L）	3.60×10-3	3.05×10-3	2.85×10-3	2.75×10-3	2.70×10-3	2.70×10-3

請回答下列問題（均不考慮溫度變化對催化劑催化效率的影響）：
（1）前2s內的平均反應速率υ（N₂）=1.875×10^-4mol/（L•s），CO的平衡轉化率為25%．（結果均保留兩位有效數字）
（2）寫出該反應的平衡常數K的表達式K=$\frac{{c}^{2}（C{O}_{2}）．c（{N}_{2}）}{{c}^{2}（NO）．{c}^{2}（CO）}$．
（3）假設在密閉容器中發生上述反應，達到平衡時下列措施能提高NO轉化率的是CD．
A．選用更有效的催化劑B．升高反應體系的溫度
C．降低反應體系的溫度D．縮小容器的體積
（4）研究表明：在使用等質量催化劑時，增大催化劑比表面積可提高化學反應速率．某同學設計了三組實驗，實驗條件已經填在下面實驗設計表中．

實驗 編號	T（℃）	NO初始濃度 （mol/L）	CO初始濃度 （mol/L）	催化劑的比表面積（m2/g）
Ⅰ	280	1.20×10-3	5.80×10-3	82
Ⅱ	280	1.20×10-3	5.80×10-3	124
Ⅲ	350	1.20×10-3	5.80×10-3	124

①以上三組實驗的實驗目的是分別驗證溫度、催化劑比表面積對化學反應速率的影響規律．
②請在給出的坐標圖中，畫出上表中的第三個實驗條件下混合氣體中NO濃度隨時間變化的趨勢曲線圖．

Answer 1

分析 （1）前2s內的平均反應速率υ（CO）=$\frac{（3.60-2.85）×1{0}^{-3}mol/L}{2s}$=0.375mol/（L．s），根據同一段時間內各物質的反應速率之比等于其計量數之比計算υ（N₂）；
參加反應的c（CO）=（3.60-2.70）×10^-3mol/L，CO轉化率=$\frac{參加反應的c（CO）}{反應初始c（CO）}$×100%；
（2）化學平衡常數K等于生成物濃度冪之積與反應物濃度冪之積的比；
（3）該反應是一個反應前后氣體體積減小的放熱反應，增大壓強、降低溫度、增大NO濃度、減小生成物濃度都能增大CO轉化率；
（4）①利用控制變量法分析解答，Ⅰ、Ⅱ研究的是催化劑的比表面積對速率的影響，Ⅱ、Ⅲ的催化劑比表面積相同，研究的是溫度對速率的影響，Ⅰ、Ⅲ催化劑的比表面積不同，溫度不同，研究溫度、催化劑的比表面積對反應速率的影響；
②繪圖時，要注意達平衡的時間、平衡濃度的相對大小：Ⅱ與Ⅰ溫度相同，平衡不移動，平衡濃度相同，但Ⅱ催化劑比表面積增大，達平衡時間短；
Ⅲ與Ⅱ的催化劑比表面積相同，Ⅲ溫度高，溫度升高，不僅達平衡時間縮短，平衡向左移動，使NO的平衡濃度也增大．

解答 解：（1）前2s內的平均反應速率υ（CO）=$\frac{（3.60-2.85）×1{0}^{-3}mol/L}{2s}$=0.375 mol/（L．s），根據同一段時間內各物質的反應速率之比等于其計量數之比得υ（N₂）=$\frac{1}{2}$υ（CO）=$\frac{1}{2}$×0.375 mol/（L．s）=1.875×10^-4mol/（L•s），
參加反應的c（CO）=（3.60-2.70）×10^-3mol/L，CO轉化率=$\frac{參加反應的c（CO）}{反應初始c（CO）}$×100%=$\frac{（3.60-2.70）×1{0}^{-3}mol/L}{3.60×1{0}^{-3}mol/L}×100%$=25%；
故答案為：1.875×10^-4mol/（L•s）；25%；
（2）化學平衡常數K等于生成物濃度冪之積與反應物濃度冪之積的比，則K=$\frac{{c}^{2}（C{O}_{2}）．c（{N}_{2}）}{{c}^{2}（NO）．{c}^{2}（CO）}$，
故答案為：K=$\frac{{c}^{2}（C{O}_{2}）．c（{N}_{2}）}{{c}^{2}（NO）．{c}^{2}（CO）}$；
（3）A．選用更有效的催化劑只改變化學反應速率，不影響平衡移動，則不能提高CO轉化率，故A錯誤；B．升高反應體系的溫度，平衡逆向移動，降低CO轉化率，故B錯誤；
C．降低反應體系的溫度，平衡正向移動，提高CO轉化率，故C正確；
D．縮小容器的體積，增大壓強平衡正向移動，提高CO轉化率，故D正確；
故選CD；
（4）①利用控制變量法分析解答，Ⅰ、Ⅱ研究的是催化劑的比表面積對速率的影響，Ⅱ、Ⅲ的催化劑比表面積相同，研究的是溫度對速率的影響，Ⅰ、Ⅲ催化劑的比表面積不同，溫度不同，研究溫度、催化劑的比表面積對反應速率的影響，故目的是：分別驗證溫度、催化劑比表面積對化學反應速率的影響規律，
故答案為：分別驗證溫度、催化劑比表面積對化學反應速率的影響規律；
②Ⅱ與Ⅰ溫度相同，平衡不移動，平衡濃度相同，但Ⅱ催化劑比表面積增大，達平衡時間短，
Ⅲ與Ⅱ的催化劑比表面積相同，Ⅲ溫度高，溫度升高，不僅達平衡時間縮短，平衡向左移動，使NO的平衡濃度也增大，三個實驗條件下混合氣體中NO濃度隨時間變化的趨勢曲線圖為：
，
故答案為：．

點評 本題考查化學平衡的計算、化學平衡常數、平衡移動影響因素、影響速率因素探究實驗等，為高頻考點，側重考查學生分析判斷計算能力，（4）中注意利用控制變量法分析解答，題目難度中等．