Question

15．超音速飞机在平流层飞行时，尾气中的NO会破坏臭氧层．科学家正在研究利用催化技术将尾气中的NO和CO转变成CO₂和N₂，其反应为：2NO+2CO$\stackrel{催化剂}{?}$2CO₂+N₂．为了测定在某种催化剂作用下的反应速率，在某温度下用气体传感器测得不同时间的NO和CO浓度如表：

时间（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

请回答下列问题（均不考虑温度变化对催化剂催化效率的影响）：
（1）在上述条件下反应能够自发进行，则反应的△H＜0（填写“＞”、“＜”、“=”）．
（2）前2s内的平均反应速率v（N₂）=1.88×10^-4mol•L^-1•s^-1．
（3）在该温度下，反应的平衡常数K=5000．
（4）假设在密闭容器中发生上述反应，达到平衡时下列措施能提高NO转化率的是C、D．
A．选用更有效的催化剂B．升高反应体系的温度
C．降低反应体系的温度D．缩小容器的体积
（5）研究表明：在使用等质量催化剂时，增大催化剂比表面积可提高化学反应速率．为了分别验证温度、催化剂比表面积对化学反应速率的影响规律，某同学设计了三组实验，部分实验条件已经填在下面实验设计表中．

实验 编号	T（℃）	NO初始浓度 （mol/L）	CO初始浓度 （mol/L）	催化剂的比表面积（m2/g）
Ⅰ	280	1.20×10-3	5.80×10-3	82
Ⅱ				124
Ⅲ	350			124

请在上表空格中填入剩余的实验条件数据．

Answer 1

分析 （1）反应时体积减小的反应熵变大于0，依据反应自发进行的判断依据为△H-T△S＜0分析；
（2）依据2s末的物质浓度变化结合化学反应速率的概念计算得到；
（3）2NO+2CO$\stackrel{催化剂}{?}$2CO₂+N₂，反应达到平衡状态的平衡浓度，依据平衡常数的概念列式计算；
（4）提高NO转化率需要改变条件促使平衡正向进行结合平衡移动原理分析选项；
（5）根据实验目的验证温度、催化剂比表面积对化学反应速率的影响规律，则应保证浓度相同，然后相同温度时比较催化剂比表面积，相同催化剂比表面积时比较温度．

解答 解：（1）因该反应2NO+2CO₂=CO₂+N₂中气体减少，则△S＜0，由反应能够自发进行，则△H-T△S＜0，即该反应一定是放热才有可能自发进行，放热反应的△H＜0，故答案为：＜；
（2）由表格中的数据可知2s内NO浓度的变化量为1.00×10^-3-2.50×10^-4=7.50×10^-4，则υ（NO）=$\frac{7.5×1{0}^{-4}mol/L}{2S}$=3.75×10^-4mol•L^-1•s^-1；
由化学反应速率之比等于化学计量数之比，则υ（N₂）=$\frac{1}{2}$υ（NO）≈1.88×10^-4mol•L-1•s^-1，
故答案为：1.88×10^-4mol•L^-1•s^-1；
（3）分析图表数据可知，反应达到4s达到平衡状态，
                 2NO+2CO $\stackrel{催化剂}{?}$    2CO₂ +N₂
起始量（mol/L） 1.00×10^-3  3.60×10^-3  0       4.5 0
变化量（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
依据平衡常数的概念得到平衡常数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；
故答案为：5000；
（4）由化学反应及提高NO转化率可知，应使化学平衡正向移动，催化剂不能影响平衡移动，该反应放热，则升高温度逆向移动，缩小容器的体积相当于加压，则加压、降温使该反应平衡正移，
故答案为：C、D；
（5）因Ⅰ、Ⅱ比表面积不同，则应控制温度相同，所有浓度应控制相同来验证催化剂比表面积对速率的影响；Ⅱ、Ⅲ比表面积相同，温度不同，则所有浓度应控制相同来验证反应温度对速率的影响，
故答案为：

实验 编号	T（℃）	NO初始浓度 （mol/L）	CO初始浓度 （mol/L）	催化剂的比表面积（m2/g）
Ⅰ
Ⅱ	280	1.20×10-3	5.80×10-3
Ⅲ		1.20×10-3	5.80×10-3

点评 本题综合考查反应速率、反应方向、化学平衡等知识，并注重考查了学生对实验化学的设计思路，充分体现了新课程变化，同时又注重了对高考热点的考查，是较好的一道综合题，题目难度中等．