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选修四
第二章 化学反应速率和化学平衡
第三节 化学平衡
化学平衡常数
氮氧化物是造成大气污染的主要物质,研究它们的转化机理,对于消除环境污染具有重要意义。
已知:反应① $2\text{N}{{\text{H}}_{3}}\left( \text{g} \right)+3{{\text{N}}_{2}}\text{O}\left( \text{g} \right)\rightleftharpoons 4{{\text{N}}_{2}}\left( \text{g} \right)+3{{\text{H}}_{2}}\text{O}\left( 1 \right)\quad \Delta {{H}_{1}}=-1010\,\text{kJ}\cdot \text{mo}{{\text{l}}^{\text{-1}}}$
反应② $4\text{N}{{\text{H}}_{3}}\left( \text{g} \right)+3{{\text{O}}_{2}}\left( \text{g} \right)\rightleftharpoons 2{{\text{N}}_{2}}\left( \text{g} \right)+6{{\text{H}}_{2}}\text{O}\left( 1 \right)\quad \Delta {{H}_{2}}=-1531\,\text{kJ}\cdot \text{mo}{{\text{l}}^{\text{-1}}}$
已知${{\text{N}}_{2}}\text{O}\left( \text{g} \right)$的热分解反应$2{{\text{N}}_{2}}\text{O}\left( \text{g} \right)\rightleftharpoons 2{{\text{N}}_{2}}\left( \text{g} \right)+{{\text{O}}_{2}}\left( \text{g} \right)$的正反应活化能为${{E}_{\text{a}}}\,\text{kJ}\cdot \text{mo}{{\text{l}}^{-1}}$,则逆反应活化能为 $\rm ($用含${{E}_{\text{a}}}$的式子表示$\rm )\text{kJ}\cdot \text{mo}{{\text{l}}^{-1}}$。
$ (E_{\\rm a}+163)$
"]]根据盖斯定律,反应$\dfrac{1}{3}\left( \times 2- \right)$可得$2{{\text{N}}_{2}}\text{O}\left( \text{g} \right)\rightleftharpoons 2{{\text{N}}_{2}}\left( \text{g} \right)+{{\text{O}}_{2}}\left( \text{g} \right)$,$\Delta H=\dfrac{\text{1}}{\text{3}}\left( \text{2}\Delta {{H}_{\text{1}}}-\Delta {{H}_{\text{2}}} \right)=-163\,\text{kJ}\cdot \text{mo}{{\text{l}}^{-1}}$,正反应活化能为${{E}_{\text{a}}}\,\text{kJ}\cdot \text{mo}{{\text{l}}^{\text{-1}}}$,则逆反应活化能为$ (E_{\rm a}+163)$;
反应$2{{\text{N}}_{2}}\text{O}\left( \text{g} \right)\rightleftharpoons 2{{\text{N}}_{2}}\left( \text{g} \right)+{{\text{O}}_{2}}\left( \text{g} \right)$的经验公式的实验数据如图中曲线$\rm a$所示,已知经验公式为$R\text{lnk}=-{{E}_{\text{a}}}\text{/}T+C ({{E}_{\text{a}}}$为活化能,$T$为热力学温度,$k$为速率常数,$R$和$C$为常数$\rm )$,则该反应的活化能${{E}_{\text{a}}}=$ $\;\rm \text{kJ}\cdot \text{mo}{{\text{l}}^{-1}}$;当改变外界条件时,实验数据如图中曲线$\rm b$所示,则实验可能改变的外界条件是 。
$\\rm 245$ ; 使用更高效的催化剂
"]]根据公式$R\text{lnk}=\dfrac{-{{E}_{\text{a}}}}{T}+C$,将$\rm a$曲线上两点$\rm (3.2$,$\rm 66)$、$\rm (3.4$,$\rm 17)$代入,解得${{E}_{\text{a}}}=\rm 245\text{kJ}\cdot \text{mo}{{\text{l}}^{-1}}$;
$R\text{lnk}=\dfrac{-{{E}_{\text{a}}}}{T}+C$其中$R$、$C$为常数,不随任何条件下的改变而变化;$k$为速率常数,与温度有关,如图,当改变外界条件时,$\rm a$到$\rm b$的斜率减小,根据公式可知,斜率的相反数为活化能,即斜率较小,活化能降低,则其改变的外界条件可能是加入了更高效的催化剂;
通过加热${{\text{N}}_{2}}{{\text{O}}_{5}}$分解可以得到${{\text{N}}_{2}}\text{O}$:
Ⅰ.${{\text{N}}_{2}}{{\text{O}}_{5}}\left( \text{g} \right)\rightleftharpoons {{\text{N}}_{2}}{{\text{O}}_{3}}\left( \text{g} \right)+{{\text{O}}_{2}}\left( \text{g} \right)$;
Ⅱ.${{\text{N}}_{2}}{{\text{O}}_{3}}\left( \text{g} \right)\rightleftharpoons {{\text{N}}_{2}}\text{O}\left( \text{g} \right)+{{\text{O}}_{2}}\left( \text{g} \right)$。在一定温度下将$2\,\text{mol}\,{{\text{N}}_{2}}{{\text{O}}_{5}}\left( \text{g} \right)$充入$\rm 1$ $\rm L$恒容密闭容器中,反应至$ts$时达到平衡状态,${{\text{O}}_{2}}\left( \text{g} \right)$和${{\text{N}}_{2}}{{\text{O}}_{3}}\left( \text{g} \right)$的物质的量随反应时间的变化关系如图所示。
①平衡时${{\text{N}}_{2}}{{\text{O}}_{5}}\left( \text{g} \right)$的转化率为 $\rm \\%$。
②若初始压强为$p$,反应Ⅱ的压强平衡常数${{K}_{\text{p}}}=$ $\rm ($用含$p$的式子表示$\rm )$。
③${{\text{N}}_{2}}{{\text{O}}_{3}}\left( \text{g} \right)$的物质的量随反应时间先增大后减小的原因是 。
$\\rm 75$ ; $\\rm 5.4p$ ; 反应初期,$c\\left( {{\\text{N}}_{\\text{2}}}{{\\text{O}}_{5}} \\right)$较大,反应Ⅰ的反应速率比反应Ⅱ大,随着反应进行$c\\left( {{\\text{N}}_{\\text{2}}}{{\\text{O}}_{5}} \\right)$逐渐减小,$c\\left( {{\\text{N}}_{\\text{2}}}{{\\text{O}}_{\\text{3}}} \\right)$增大,反应Ⅱ的反应速率比反应Ⅰ大,故$\\rm N_{2}O_{3}$物质的量先增大后减小。
"]]①设反应Ⅰ转化$a\,\text{mol}\,{{\text{N}}_{2}}{{\text{O}}_{5}}$,反应Ⅱ转化$b\,\text{mol}\,{{\text{N}}_{2}}{{\text{O}}_{3}}$,列三段式:$\begin{matrix} {} & {{\text{N}}_{2}}{{\text{O}}_{5}}\left( \text{g} \right) & \rightleftharpoons & {{\text{N}}_{2}}{{\text{O}}_{3}}\left( \text{g} \right) & + & {{\text{O}}_{2}}\left( \text{g} \right) \\ 起始\text{(mol)} & 2 & {} & 0 & {} & 0 \\ 转化\text{(mol)} & a & {} & a & {} & a \\ 平衡\text{(mol)} & 2-a & {} & a & {} & a \\ \end{matrix}$,$\begin{matrix} {} & {{\text{N}}_{\text{2}}}{{\text{O}}_{\text{3}}}\left( \text{g} \right) & \rightleftharpoons & {{\text{N}}_{\text{2}}}\text{O}\left( \text{g} \right) & + & {{\text{O}}_{\text{2}}}\left( \text{g} \right) \\ 起始\text{(mol)} & a & {} & \text{0} & {} & a \\转化 \text{(mol)} & b & {} & b & {} & b \\平衡 \text{(mol)} & a-b & {} & b & {} & a+b \\ \end{matrix}$,$a-b=0.3$,$a+b=2.7$,解得$a=1.5\,\text{mol}$,$b=1.2\,\text{mol}$,${{\text{N}}_{2}}{{\text{O}}_{5}}\left( \text{g} \right)$转化率$\dfrac{1.5}{2}\times 100\%=75\%$;
②$n\left( {{\text{N}}_{\text{2}}}{{\text{O}}_{\text{5}}} \right)=0.5\,\text{mol}$,$n\left( {{\text{N}}_{\text{2}}}{{\text{O}}_{3}} \right)=0.3\,\text{mol}$,$n\left( {{\text{O}}_{\text{2}}} \right)=2.7\,\text{mol}$,$n\left( {{\text{N}}_{\text{2}}}\text{O} \right)=1.2\,\text{mol}$,${{n}_{总}}=4.7\,\text{mol}$,$\dfrac{2\,\text{mol}}{p}=\dfrac{4.7\,\text{mol}}{{{p}_{平}}}\Rightarrow {{p}_{平}}=\dfrac{4.7}{2}p$,${{K}_{\text{p}}}=\dfrac{p\left( {{\text{N}}_{\text{2}}}\text{O} \right)p\left( {{\text{O}}_{\text{2}}} \right)}{p\left( {{\text{N}}_{\text{2}}}{{\text{O}}_{\text{3}}} \right)}=\dfrac{\dfrac{1.2}{4.7}\times \dfrac{4.7}{2}p\dfrac{2.7}{4.7}\times \dfrac{4.7}{2}p}{\dfrac{0.3}{2}p}=5.4p$;
③${{\text{N}}_{2}}{{\text{O}}_{3}}\left( \text{g} \right)$的物质的量随反应时间先增大后减小的原因是:反应初期,$c\left( {{\text{N}}_{\text{2}}}{{\text{O}}_{5}} \right)$较大,反应Ⅰ的反应速率比反应Ⅱ大,随着反应进行$c\left( {{\text{N}}_{\text{2}}}{{\text{O}}_{5}} \right)$逐渐减小,$c\left( {{\text{N}}_{\text{2}}}{{\text{O}}_{\text{3}}} \right)$增大,反应Ⅱ的反应速率比反应Ⅰ大,故$\rm N_{2}O_{3}$物质的量先增大后减小;
$\text{N}{{\text{O}}_{2}}$传感器通常用于大气及环境监测。近日,某课题组利用离子导电水凝胶制备出高性能的传感器,使$\text{N}{{\text{O}}_{2}}$响应发生在电极$\text{CaC}{{\text{l}}_{2}}$水凝胶界面,始终保持良好的响应特性。其工作原理如图所示。
①图中虚线箭头表示的是 $\rm ($填“电子”或“电流”$\rm )$流向。
②$\rm B$电极上发生反应的方程式为 。
电子 ; $\\rm NO_{2}\\rm +\\rm 2e^{−\\rm } \\rm + \\rm H_{2}O \\rm = \\rm NO \\rm + \\rm 2OH^{−\\rm }$
"]]与$\rm B$电极连接的电解池的电极上发生$\rm NO_{2}$变化为$\rm NO$,氮元素化合价降低发生还原反应,判断为阴极,电极反应为$\rm NO_{2}+2e^{−\rm }+H_{2}O=NO+2OH^{−\rm }$,连接电源负极,$\rm A$为阳极,连接电源正极,虚线由$\rm Ag→AgCl$,故虚线表示的为电子流向;
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