Question

【题目】氮氧化物是形成酸雨、水体富营养化、光化学烟雾等环境问题的主要原因。

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

反应Ⅱ.2NO2(g)N2O4(g)　ΔH2=－24.2 kJ/mol；

反应Ⅲ.3O2(g)2O3(g)　 ΔH3=＋144.6 kJ/mol；

(1)大气层中O3氧化NO的热化学方程式为3NO(g)+O3(g)3NO2(g) ΔH4=________。

(2)某温度下，向1L刚性容器中投入1mol O2发生反应Ⅲ，5min时压强变为原来的0.9倍后不再变化。

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

②平衡时O2的转化率α(O2)________30%(填“>”“=”或“<”)。

(3)常温下，向压强为pkPa的恒压容器中充入2molNO和1molO2，发生反应Ⅰ和反应Ⅱ。平衡时NO和NO2的物质的量分别为0.2mol和1mol，则常温下反应Ⅱ的平衡常数Kp=____________kPa-1(已知气体中某成分的分压p(分)=×p(总)，用含p的式子表示)。

(4)工业上常用氨气去除一氧化氮的污染，反应原理为：4NH3(g)+6NO(g)5N2(g)+6H2O(g)。测得该反应的平衡常数与温度的关系为：lg Kp=5.0+ (T为开氏温度)。

①该反应ΔH_______________0(填“>”“=”或“<”)。

②一定温度下，按进料比n(NH3)∶n(NO)=1∶1，匀速通入装有锰、镁氧化物作催化剂的反应器中反应。反应相同时间，NO的去除率随反应温度的变化曲线如上图。NO的去除率先迅速上升后上升缓慢的主要原因是______________________；当反应温度高于380 ℃时，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 < 迅速上升是因为催化剂活性增强，上升缓慢是因为温度升高 迅速下降是因为催化剂失活

【解析】

(1)根据盖斯定律，将已知热化学方程式叠加，可求得待测反应的热化学方程式；

(2)根据在相同条件下，气体的压强之比等于气体的物质的量的比计算反应消耗的O2及产生的O3的物质的量，然后利用反应速率和物质转化率的定义式计算；

(3)根据物质反应转化关系，计算各种物质平衡时物质的量，并根据物质的量的比等于气体所占的压强之比，用平衡分压表示化学平衡常数；

(4)①根据温度与化学平衡常数的关系，结合平衡移动原理分析判断反应热效应；

②根据催化剂具有催化活性分析；任何催化剂的催化活性都有一定的温度范围，根据温度对催化剂的影响分析。

(1)由于反应热与反应途径无关，只与物质的始态和终态有关，将，整理可得，ΔH4=ΔH1－ΔH3=-240.3 kJ/mol。

(2)①设5min时生成O3的物质的量为x，则由方程式3O2(g)2O3(g)中物质反应关系可知：每反应消耗3molO2，会同时产生2molO3，减小1mol，则生成O3xmol，消耗O2的物质的量是mol，则平衡时O2的物质的量为(1-)mol，由于在相同温度下，气体的物质的量n与压强p成正比，则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平衡时O2的物质的量n平衡(O2)=1mol－×0.2mol=0.7 mol，平衡时O2的转化率α(O2)=×100%=30%。

(3)假设先进行反应Ⅰ，达到平衡后再进行反应Ⅱ，进行反应Ⅰ：2NO(g)+O2(g)2NO2(g)，反应开始时n(NO)=2mol，n(O2)=1mol，由于平衡时n(NO)=0.2mol，反应了2mol-0.2mol=1.8mol，所以反应O2的物质的量为×1.8mol=0.9mol，剩余O2的物质的量为1mol-0.9mol=0.1mol，则反应I产生NO2物质的量为1.8mol；

对于反应Ⅱ：2NO2(g)N2O4(g)，反应开始时n(NO2)=1.8mol，平衡时n(NO2)平=1mol，△n(NO2)=1.8mol-1mol=0.8mol，则此时n(N2O4)=×0.8mol=0.4mol，所以平衡时n(总)=n(NO)+n(O2)+n(NO2)+n(N2O4)=0.2mol+0.1mol+1mol+0.4 mol=1.7mol，此时p(NO2)=×p(总)=p kPa，p(N2O4)=p kPa，所以常温下反应Ⅱ的平衡常数Kp=kPa-1。

(4)①根据该反应的平衡常数与温度的关系式lg Kp=5.0+可知，随着温度升高，平衡常数降低，说明升高温度，化学平衡逆向移动，所以该反应的正反应为放热反应。

②随反应温度变化，在反应开始时迅速上升是因为催化剂活性增强，之后上升缓慢是因为温度升高，催化剂的催化活性降低；当反应温度高于380℃时，NO的去除率迅速下降的原因可能是由于催化剂失去催化活性。