Question

【題目】氮氧化物是形成酸雨、水體富營養(yǎng)化、光化學煙霧等環(huán)境問題的主要原因。

已知：反應Ⅰ.2NO(g)+O2(g)2NO2(g)　ΔH1=－112 kJ/mol；

反應Ⅱ.2NO2(g)N2O4(g)　ΔH2=－24.2 kJ/mol；

反應Ⅲ.3O2(g)2O3(g)　 ΔH3=＋144.6 kJ/mol；

(1)大氣層中O3氧化NO的熱化學方程式為3NO(g)+O3(g)3NO2(g) ΔH4=________。

(2)某溫度下，向1L剛性容器中投入1mol O2發(fā)生反應Ⅲ，5min時壓強變?yōu)樵瓉淼?/span>0.9倍后不再變化。

①5min內O3的生成速率v(O3)=______________________。

②平衡時O2的轉化率α(O2)________30%(填“>”“=”或“<”)。

(3)常溫下，向壓強為pkPa的恒壓容器中充入2molNO和1molO2，發(fā)生反應Ⅰ和反應Ⅱ。平衡時NO和NO2的物質的量分別為0.2mol和1mol，則常溫下反應Ⅱ的平衡常數Kp=____________kPa-1(已知氣體中某成分的分壓p(分)=×p(總)，用含p的式子表示)。

(4)工業(yè)上常用氨氣去除一氧化氮的污染，反應原理為：4NH3(g)+6NO(g)5N2(g)+6H2O(g)。測得該反應的平衡常數與溫度的關系為：lg Kp=5.0+ (T為開氏溫度)。

①該反應ΔH_______________0(填“>”“=”或“<”)。

②一定溫度下，按進料比n(NH3)∶n(NO)=1∶1，勻速通入裝有錳、鎂氧化物作催化劑的反應器中反應。反應相同時間，NO的去除率隨反應溫度的變化曲線如上圖。NO的去除率先迅速上升后上升緩慢的主要原因是______________________；當反應溫度高于380 ℃時，NO的去除率迅速下降的原因可能是____________________。

Answer 1

【答案】-240.3 kJ/mol 0.04 mol·L－1·min－1 = 0.68/p < 迅速上升是因為催化劑活性增強，上升緩慢是因為溫度升高 迅速下降是因為催化劑失活

【解析】

(1)根據蓋斯定律，將已知熱化學方程式疊加，可求得待測反應的熱化學方程式；

(2)根據在相同條件下，氣體的壓強之比等于氣體的物質的量的比計算反應消耗的O2及產生的O3的物質的量，然后利用反應速率和物質轉化率的定義式計算；

(3)根據物質反應轉化關系，計算各種物質平衡時物質的量，并根據物質的量的比等于氣體所占的壓強之比，用平衡分壓表示化學平衡常數；

(4)①根據溫度與化學平衡常數的關系，結合平衡移動原理分析判斷反應熱效應；

②根據催化劑具有催化活性分析；任何催化劑的催化活性都有一定的溫度范圍，根據溫度對催化劑的影響分析。

(1)由于反應熱與反應途徑無關，只與物質的始態(tài)和終態(tài)有關，將，整理可得，ΔH4=ΔH1－ΔH3=-240.3 kJ/mol。

(2)①設5min時生成O3的物質的量為x，則由方程式3O2(g)2O3(g)中物質反應關系可知：每反應消耗3molO2，會同時產生2molO3，減小1mol，則生成O3xmol，消耗O2的物質的量是mol，則平衡時O2的物質的量為(1-)mol，由于在相同溫度下，氣體的物質的量n與壓強p成正比，則0.9×n起始(O2)=n平衡(O2)+n平衡(O3)，0.9×1 mol=(1-)mol+x，解得x=0.2mol，所以O3的生成速率v(O3)==0.04mol/(L·min)。

②平衡時O2的物質的量n平衡(O2)=1mol－×0.2mol=0.7 mol，平衡時O2的轉化率α(O2)=×100%=30%。

(3)假設先進行反應Ⅰ，達到平衡后再進行反應Ⅱ，進行反應Ⅰ：2NO(g)+O2(g)2NO2(g)，反應開始時n(NO)=2mol，n(O2)=1mol，由于平衡時n(NO)=0.2mol，反應了2mol-0.2mol=1.8mol，所以反應O2的物質的量為×1.8mol=0.9mol，剩余O2的物質的量為1mol-0.9mol=0.1mol，則反應I產生NO2物質的量為1.8mol；

對于反應Ⅱ：2NO2(g)N2O4(g)，反應開始時n(NO2)=1.8mol，平衡時n(NO2)平=1mol，△n(NO2)=1.8mol-1mol=0.8mol，則此時n(N2O4)=×0.8mol=0.4mol，所以平衡時n(總)=n(NO)+n(O2)+n(NO2)+n(N2O4)=0.2mol+0.1mol+1mol+0.4 mol=1.7mol，此時p(NO2)=×p(總)=p kPa，p(N2O4)=p kPa，所以常溫下反應Ⅱ的平衡常數Kp=kPa-1。

(4)①根據該反應的平衡常數與溫度的關系式lg Kp=5.0+可知，隨著溫度升高，平衡常數降低，說明升高溫度，化學平衡逆向移動，所以該反應的正反應為放熱反應。

②隨反應溫度變化，在反應開始時迅速上升是因為催化劑活性增強，之后上升緩慢是因為溫度升高，催化劑的催化活性降低；當反應溫度高于380℃時，NO的去除率迅速下降的原因可能是由于催化劑失去催化活性。