Question

11．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，化学方程式如下：2NO（g）+2CO（g）$\stackrel{催化剂}{?}$2CO₂（g）+N₂（g）△H＜0
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）前2s内的平均反应速率υ（N₂）=1.875×10^-4mol/（L•s），CO的平衡转化率为25%．（结果均保留两位有效数字）
（2）写出该反应的平衡常数K的表达式K=$\frac{{c}^{2}（C{O}_{2}）．c（{N}_{2}）}{{c}^{2}（NO）．{c}^{2}（CO）}$．
（3）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CD．
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
（4）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．某同学设计了三组实验，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	280	1.20×10-3	5.80×10-3	124
Ⅲ	350	1.20×10-3	5.80×10-3	124

①以上三组实验的实验目的是分别验证温度、催化剂比表面积对化学反应速率的影响规律．
②请在给出的坐标图中，画出上表中的第三个实验条件下混合气体中NO浓度随时间变化的趋势曲线图．

Answer 1

分析 （1）前2s内的平均反应速率υ（CO）=$\frac{（3.60-2.85）×1{0}^{-3}mol/L}{2s}$=0.375mol/（L．s），根据同一段时间内各物质的反应速率之比等于其计量数之比计算υ（N₂）；
参加反应的c（CO）=（3.60-2.70）×10^-3mol/L，CO转化率=$\frac{参加反应的c（CO）}{反应初始c（CO）}$×100%；
（2）化学平衡常数K等于生成物浓度幂之积与反应物浓度幂之积的比；
（3）该反应是一个反应前后气体体积减小的放热反应，增大压强、降低温度、增大NO浓度、减小生成物浓度都能增大CO转化率；
（4）①利用控制变量法分析解答，Ⅰ、Ⅱ研究的是催化剂的比表面积对速率的影响，Ⅱ、Ⅲ的催化剂比表面积相同，研究的是温度对速率的影响，Ⅰ、Ⅲ催化剂的比表面积不同，温度不同，研究温度、催化剂的比表面积对反应速率的影响；
②绘图时，要注意达平衡的时间、平衡浓度的相对大小：Ⅱ与Ⅰ温度相同，平衡不移动，平衡浓度相同，但Ⅱ催化剂比表面积增大，达平衡时间短；
Ⅲ与Ⅱ的催化剂比表面积相同，Ⅲ温度高，温度升高，不仅达平衡时间缩短，平衡向左移动，使NO的平衡浓度也增大．

解答 解：（1）前2s内的平均反应速率υ（CO）=$\frac{（3.60-2.85）×1{0}^{-3}mol/L}{2s}$=0.375 mol/（L．s），根据同一段时间内各物质的反应速率之比等于其计量数之比得υ（N₂）=$\frac{1}{2}$υ（CO）=$\frac{1}{2}$×0.375 mol/（L．s）=1.875×10^-4mol/（L•s），
参加反应的c（CO）=（3.60-2.70）×10^-3mol/L，CO转化率=$\frac{参加反应的c（CO）}{反应初始c（CO）}$×100%=$\frac{（3.60-2.70）×1{0}^{-3}mol/L}{3.60×1{0}^{-3}mol/L}×100%$=25%；
故答案为：1.875×10^-4mol/（L•s）；25%；
（2）化学平衡常数K等于生成物浓度幂之积与反应物浓度幂之积的比，则K=$\frac{{c}^{2}（C{O}_{2}）．c（{N}_{2}）}{{c}^{2}（NO）．{c}^{2}（CO）}$，
故答案为：K=$\frac{{c}^{2}（C{O}_{2}）．c（{N}_{2}）}{{c}^{2}（NO）．{c}^{2}（CO）}$；
（3）A．选用更有效的催化剂只改变化学反应速率，不影响平衡移动，则不能提高CO转化率，故A错误；B．升高反应体系的温度，平衡逆向移动，降低CO转化率，故B错误；
C．降低反应体系的温度，平衡正向移动，提高CO转化率，故C正确；
D．缩小容器的体积，增大压强平衡正向移动，提高CO转化率，故D正确；
故选CD；
（4）①利用控制变量法分析解答，Ⅰ、Ⅱ研究的是催化剂的比表面积对速率的影响，Ⅱ、Ⅲ的催化剂比表面积相同，研究的是温度对速率的影响，Ⅰ、Ⅲ催化剂的比表面积不同，温度不同，研究温度、催化剂的比表面积对反应速率的影响，故目的是：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，
故答案为：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；
②Ⅱ与Ⅰ温度相同，平衡不移动，平衡浓度相同，但Ⅱ催化剂比表面积增大，达平衡时间短，
Ⅲ与Ⅱ的催化剂比表面积相同，Ⅲ温度高，温度升高，不仅达平衡时间缩短，平衡向左移动，使NO的平衡浓度也增大，三个实验条件下混合气体中NO浓度随时间变化的趋势曲线图为：
，
故答案为：．

点评 本题考查化学平衡的计算、化学平衡常数、平衡移动影响因素、影响速率因素探究实验等，为高频考点，侧重考查学生分析判断计算能力，（4）中注意利用控制变量法分析解答，题目难度中等．