Question

8．目前，汽车厂商常利用催化技术将尾气中的NO和CO转化成CO₂和N₂，化学方程式如下：2NO+2CO$\stackrel{催化剂}{?}$2CO₂+N₂．为研究如何提高该转化过程反应速率，某课题组进行了以下实验探究．
【资料查阅】①不同的催化剂对同一反应的催化效率不同；
②使用相同的催化剂，当催化剂质量相等时，催化剂的比表面积对催化效率有影响．
【实验设计】课题组为探究某些外界条件对汽车尾气转化反应速率的影响规律，设计了以下对比实验．
（1）完成以下实验设计表（表中不要留空格）．

实验编号	实验目的	T/℃	NO初始浓度 mol/L	CO初始浓度 mol/L	同种催化剂的比表面积m2/g
Ⅰ	为以下实验作参照	280	6.50×10-3	4.00×10-3	80
Ⅱ			6.50×10-3		120
Ⅲ	探究温度对尾气转化速率的影响	360	6.50×10-3	4.00×10-3	80

【图象分析与结论】利用气体传感器测定了三组实验中CO浓度随时间变化的曲线图，如图：
（2）计算第Ⅰ组实验中，达平衡时NO的浓度为3.50×10^-3mol/L；
（3）由曲线Ⅰ、Ⅱ可知，增大催化剂比表面积，汽车尾气转化速率增大（填“增大”、“减小”、“无影响”）．
（II）随着世界粮食需求量的增长，农业对化学肥料的需求量越来越大，其中氮肥是需求量最大的一种化肥．而氨的合成为氮肥的生产工业奠定了基础，其原理为：N₂+3H₂?2NH₃
（1）在N₂+3H₂?2NH₃的反应中，一段时间后，NH₃的浓度增加了0.9mol•L^-1．用N₂表示其反应速率为0.15mol•L^-1•s^-1，则所经过的时间为B；
A．2s         B．3s         C．4s          D．6s
（2）下列4个数据是在不同条件下测得的合成氨反应的速率，其中反应最快的是D；
A．v（H₂）=0.1mol•L^-1•min^-1          B．v（N₂）=0.1mol•L^-1•min^-1
C．v（NH₃）=0.15mol•L^-1•min^-1        D．v（N₂）=0.002mol•L^-1•s^-1．

Answer 1

分析 （I）（1）实验目的是：探究某些外界条件对汽车尾气转化反应速率的影响规律，应采取控制变量法进行研究，实验I、Ⅱ催化剂比表面积不同，其它条件相同；
（2）由方程式可知△c（CO）=△c（NO），平衡时NO浓度=NO起始浓度-NO浓度变化量；
（3）由曲线Ⅰ、Ⅱ可知，增大催化剂比表面积，缩短到达平衡的时间，汽车尾气转化速率增大；
（II）（1）利用速率之比等于化学计量数之比，根据N₂表示的平均反应速率v（N₂）计算速率v（NH₃），再根据速率定义计算反应时间；
（2）同一化学反应中，同一时间段内，各物质的反应速率之比等于其计量数之比，先把不同物质的反应速率换算成同一物质的反应速率进行比较，注意单位保持一致．

解答 解：（I）（1）实验目的是：探究某些外界条件对汽车尾气转化反应速率的影响规律，应采取控制变量法进行研究，实验I、Ⅱ催化剂比表面积不同，其它条件要相同，是探究催化剂比表面积对尾气转化速率的影响，故Ⅱ中的温度为280℃，CO的初始浓度为4.00×10^-3mol/L，
故答案为：

实验编号	实验目的	T/℃	NO初始浓度 mol/L	CO初始浓度 mol/L	同种催化剂的比表面积m2/g
Ⅰ
Ⅱ	探究催化剂比表面积对尾气转化速率的影响	280		4.00×10-3
Ⅲ

（2）由方程式可知△c（NO）=△c（CO）=4.00×10^-3mol/L-1.00×10^-3mol/L=3.00×10^-3mol/L，故平衡时NO浓度=6.5×10^-3mol/L-3.00×10^-3mol/L=3.5×10^-3mol/L，
故答案为：3.5×10^-3mol/L；
（3）由曲线Ⅰ、Ⅱ可知，增大催化剂比表面积，缩短到达平衡的时间，汽车尾气转化速率增大，
故答案为：增大；
（II）（1）由于v（N₂）=0.15mol/（L•s），速率之比等于化学计量数之比，所以v（NH₃）=2v（N₂）=2×0.15mol/（L•s）=0.3mol/（L•s），所以反应所经历的时间为 $\frac{0.9mol•{L}^{-1}}{0.3mol•{L}^{-1}•{s}^{-1}}$=3s，
故答案为：B；
（2）反应为N₂（g）+3H₂（g）$?_{催化剂}^{高温、高压}$ 2NH₃（g），以氢气的反应速率为标准进行判断：
A．v（H₂）=0.1mol•L^-1•min^-1；
B．v（N₂）=0.1mol•L^-1•min^-1，反应速率之比等于其计量数之比，所以v（H₂）=3v（N₂）=0.3mol•L^-1•min^-1；
C．v（NH₃）=0.15mol•L^-1•min^-1，反应速率之比等于其计量数之比，所以v（H₂）=$\frac{3}{2}$v（NH₃）=0.225mol/（L•min）；
D．v（N₂）=0.002mol•L^-1•s^-1=0.12mol•L^-1•min^-1，反应速率之比等于其计量数之比，所以v（H₂）=3v（N₂）=0.36mol/（L•min），所以反应速率最快的是D，
故选D．

点评 本题考查化学平衡计算、外界条件对反应速率的影响、化学反应速率计算、反应速率快慢比较等，I中注意利用控制变量法分析解答，反应速率快慢比较还可用速率与其化学计量数的比值大小判断，比值越大，表示反应速率越快，难度中等．