Question

15．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，其反應為：2NO+2CO$\stackrel{催化劑}{?}$2CO₂+N₂．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）在上述條件下反應能夠自發進行，則反應的△H＜0（填寫“＞”、“＜”、“=”）．
（2）前2s內的平均反應速率v（N₂）=1.88×10^-4mol•L^-1•s^-1．
（3）在該溫度下，反應的平衡常數K=5000．
（4）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C、D．
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
（5）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．為了分別驗證溫度、催化劑比表面積對化學反應速率的影響規律，某同學設計了三組實驗，部分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				124
Ⅲ	350			124

請在上表空格中填入剩余的實驗條件數據．

Answer 1

分析 （1）反應時體積減小的反應熵變大于0，依據反應自發進行的判斷依據為△H-T△S＜0分析；
（2）依據2s末的物質濃度變化結合化學反應速率的概念計算得到；
（3）2NO+2CO$\stackrel{催化劑}{?}$2CO₂+N₂，反應達到平衡狀態的平衡濃度，依據平衡常數的概念列式計算；
（4）提高NO轉化率需要改變條件促使平衡正向進行結合平衡移動原理分析選項；
（5）根據實驗目的驗證溫度、催化劑比表面積對化學反應速率的影響規律，則應保證濃度相同，然后相同溫度時比較催化劑比表面積，相同催化劑比表面積時比較溫度．

解答 解：（1）因該反應2NO+2CO₂=CO₂+N₂中氣體減少，則△S＜0，由反應能夠自發進行，則△H-T△S＜0，即該反應一定是放熱才有可能自發進行，放熱反應的△H＜0，故答案為：＜；
（2）由表格中的數據可知2s內NO濃度的變化量為1.00×10^-3-2.50×10^-4=7.50×10^-4，則υ（NO）=$\frac{7.5×1{0}^{-4}mol/L}{2S}$=3.75×10^-4mol•L^-1•s^-1；
由化學反應速率之比等于化學計量數之比，則υ（N₂）=$\frac{1}{2}$υ（NO）≈1.88×10^-4mol•L-1•s^-1，
故答案為：1.88×10^-4mol•L^-1•s^-1；
（3）分析圖表數據可知，反應達到4s達到平衡狀態，
                 2NO+2CO $\stackrel{催化劑}{?}$    2CO₂ +N₂
起始量（mol/L） 1.00×10^-3  3.60×10^-3  0       4.5 0
變化量（mol/L） 9×10^-49×10^-4 9×10^-4 4.5×10^-4
平衡量（mol/L）1.00×10^-4 2.70×10^-3 9×10^-4 4.5×10^-4
依據平衡常數的概念得到平衡常數K=$\frac{c（{N}_{2}）{c}^{2}（C{O}_{2}）}{{c}^{2}（NO）{c}^{2}（CO）}$=$\frac{4.5×1{0}^{-4}×（9×1{0}^{-4}）^{2}}{（1.00×1{0}^{-4}）^{2}×（2.70×1{0}^{-3}）^{2}}$=5000；
故答案為：5000；
（4）由化學反應及提高NO轉化率可知，應使化學平衡正向移動，催化劑不能影響平衡移動，該反應放熱，則升高溫度逆向移動，縮小容器的體積相當于加壓，則加壓、降溫使該反應平衡正移，
故答案為：C、D；
（5）因Ⅰ、Ⅱ比表面積不同，則應控制溫度相同，所有濃度應控制相同來驗證催化劑比表面積對速率的影響；Ⅱ、Ⅲ比表面積相同，溫度不同，則所有濃度應控制相同來驗證反應溫度對速率的影響，
故答案為：

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
Ⅱ	280	1.20×10-3	5.80×10-3
Ⅲ		1.20×10-3	5.80×10-3

點評 本題綜合考查反應速率、反應方向、化學平衡等知識，并注重考查了學生對實驗化學的設計思路，充分體現了新課程變化，同時又注重了對高考熱點的考查，是較好的一道綜合題，題目難度中等．