Question

6．汽車尾氣中的主要污染物是NO以及燃料不完全燃燒所產生的CO．為了減輕大氣污染，人們提出通過以下反應來處理汽車尾氣：
2NO（g）+2CO（g）$\stackrel{催化劑}{?}$2CO₂（g）+N₂（g）△H=a kJ/mol．
為了測定在某種催化劑作用下該反應的反應速率，t₁℃下，在一等容的密閉容器中，某科研機構用氣體傳感器測得了不同時間的NO和CO的濃度如下表（CO₂和N₂的起始濃度為0）．

時間/s	0	1	2	3	4	5
c（NO）/×10-4 mol•L-1	10.0	4.50	2.50	1.50	1.00	1.00
c（CO）/×10-3 mol•L-1	3.60	3.05	2.85	2.75	2.70	2.70

回答下列問題：
（1）在上述條件下該反應能自發進行，則正反應必然是放熱反應（填“放熱”或“吸熱”）．
（2）前3s內的平均反應速率v（N₂）=1.42×10^-4 mol•L^-1•s^-；t₁℃時該反應的平衡常數K=5000．
（3）假設在密閉容器中發生上述反應，達到平衡時改變下列條件，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，增大催化劑的比表面積可提高化學反應速率．根據下表設計的實驗測得混合氣體中NO的濃度隨時間t變化的趨勢如圖所示：

實驗編號	T/℃	NO初始濃度/mol•L-1	CO初始濃度/mol•L-1	催化劑的比表面積/m2•g-1
①	350	1.20×10-3	5.80×10-3	124
②	280	1.20×10-3	5.80×10-3	124
③	280	1.20×10-3	5.80×10-3	82

則曲線Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ對應的實驗編號依次為③②①．
（5）已知：N₂（g）+O₂（g）=2NO（g）△H₁=+180.5kJ/mol
2C（s）+O₂（g）=2CO（g）△H₂=-221.0kJ/mol
C（s）+O₂（g）=CO₂（g）△H₃=-393.5kJ/mol
則處理汽車尾氣反應中的a=-746.5．
（6）用活性炭還原法也可以處理氮氧化物，有關反應為：
C（s）+2NO（g）?N₂（g）+CO₂（g）△H₄．
向某密閉容器加入一定量的活性炭和NO，在t₂℃下反應，有關數據如下表：

	NO	N2	CO2
起始濃度/mol•L-1	0.10	0	0
平衡濃度/mol•L-1	0.04	0.03	0.03

平衡后升高溫度，再次達到平衡測得容器中NO、N₂、CO₂的濃度之比為5：3：3，則△H₄＜0（填“＞”、“=”或“＜”）．

Answer 1

分析 （1）正反應氣體物質的量減小，混亂度減小，故△S＜0，而△H-T△S＜0反應自發進行；
（2）根據v=$\frac{△c}{△t}$計算v（NO），再利用速率之比等于化學計量數之比計算v（N₂）；
4s時處于平衡狀態，平衡時c（NO）=1×10^-4 mol•L^-1、c（CO）=2.7×10^-3 mol•L^-1，計算二氧化碳、氮氣的平衡濃度，代入K=$\frac{{c}^{2}（C{O}_{2}）×c（{N}_{2}）}{{c}^{2}（NO）×{c}^{2}（CO）}$計算平衡常數；
（3）A．選用更有效的催化劑，不影響平衡移動；
B．升高反應體系的溫度，平衡向吸熱反應移動；
C．降低反應體系的溫度，平衡向放熱反應移動；
D．縮小容器的體積，壓強增大，平衡向氣體體積減小的方向移動；
（4）由圖可知，曲線Ⅰ和曲線Ⅱ相比，平衡沒有移動，反應速率Ⅱ比Ⅰ快，故曲線Ⅱ中催化劑比比表面積大于Ⅰ，而其它條件相同；而曲線Ⅲ和曲線Ⅱ相比，反應速率變快且平衡逆向移動，該反應為放熱反應，升高溫度平衡逆向移動；
（5）已知：①N₂（g）+O₂（g）=2NO（g）△H₁=+180.5kJ/mol
②2C（s）+O₂（g）=2CO（g）△H₂=-221.0kJ/mol
③C（s）+O₂（g）=CO₂（g）△H₃=-393.5kJ/mol
根據蓋斯定律，③×2-①-②可得：2NO（g）+2CO（g）?2CO₂（g）+N₂（g）；
（6）原平衡時容器中NO、N₂、CO₂的濃度之比為4：3：3，平衡后升高溫度，再次達到平衡測得容器中NO、N₂、CO₂的濃度之比為5：3：3，說明平衡逆向移動，升高溫度平衡向吸熱反應方向移動，故正反應為放熱反應．

解答 解：（1）正反應氣體物質的量減小，混亂度減小，故△S＜0，而△H-T△S＜0反應自發進行，則△H＜0，正反應為放熱反應，
故答案為：放熱；
（2）前3s內v（NO）=（10×10^-4 mol•L^-1-1.5×10^-4 mol•L^-1）÷3s=$\frac{8.5}{3}$×10^-4 mol•L^-1•s^-1，速率之比等于化學計量數之比，v（N₂）=$\frac{1}{2}$v（NO）=1.42×10^-4 mol•L^-1•s^-1；
4s時處于平衡狀態，平衡時c（NO）=1×10^-4 mol•L^-1、c（CO）=2.7×10^-3 mol•L^-1，則△c（CO₂）=△c（NO）=（10×10^-4 mol•L^-1-1×10^-4 mol•L^-1）=9×10^-4 mol•L^-1，△c（N₂）=$\frac{1}{2}$△c（NO）=4.5×10^-4 mol•L^-1，故平衡常數K=$\frac{{c}^{2}（C{O}_{2}）×c（{N}_{2}）}{{c}^{2}（NO）×{c}^{2}（CO）}$=$\frac{（9×1{0}^{-4}）^{2}×4.5×1{0}^{-4}}{（1×1{0}^{-4}）^{2}×（2.7×1{0}^{-3}）^{2}}$=5000，
故答案為：1.42×10^-4 mol•L^-1•s^-4；5000；
（3）A．選用更有效的催化劑，不影響平衡移動，NO轉化率不變，故A錯誤；
B．正反應為放熱反應，升高溫度，平衡向逆反應移動，NO的轉化率減小，故B錯誤；
C．正反應為放熱反應，降低反應體系的溫度，平衡正向移動，NO的轉化率增大，故C正確；
D．縮小容器的體積，壓強增大，平衡向正反應方向移動，NO的轉化率增大，故D正確，
故選：CD；
（4）由于②、③溫度相同，催化劑對平衡移動無影響，化學平衡不移動，達到相同的平衡狀態，但②的催化劑的比表面積較大，則反應的速率大，所以②先達到化學平衡；
由于①、②濃度、催化劑的比面積大相同，而①的溫度較高，反應速率較快，先到達平衡，且平衡向逆反應移動，平衡時NO的濃度增大，
所以曲線Ⅰ對應實驗③，曲線Ⅱ對應實驗②，曲線Ⅲ對應實驗①，
故答案為：③②①；
（5）已知：①N₂（g）+O₂（g）=2NO（g）△H₁=+180.5kJ/mol
②2C（s）+O₂（g）=2CO（g）△H₂=-221.0kJ/mol
③C（s）+O₂（g）=CO₂（g）△H₃=-393.5kJ/mol
根據蓋斯定律，③×2-①-②可得：2NO（g）+2CO（g）?2CO₂（g）+N₂（g），則△H=2×（-393.5kJ/mol）-180.5kJ/mol-（-221.0kJ/mol）=-746.5kJ/mol，故a=-746.5，
故答案為：-746.5；
（6）原平衡時容器中NO、N₂、CO₂的濃度之比為4：3：3，平衡后升高溫度，再次達到平衡測得容器中NO、N₂、CO₂的濃度之比為5：3：3，說明平衡逆向移動，升高溫度平衡向吸熱反應方向移動，故正反應為放熱反應，則△H₄＜0，
故答案為：＜．

點評 本題考查化學平衡計算與影響因素、反應速率計算、平衡常數、平衡圖象與反應熱計算等，題目比較綜合，側重考查學生分析計算能力，需要學生具備扎實的基礎，難度中等．