Question

【題目】采用N2O5為硝化劑是一種新型的綠色硝化技術(shù)，F.Daniels等曾利用測壓法在剛性反應(yīng)器中研究了25℃時(shí)N2O5(g)分解反應(yīng)：

其中NO2二聚為N2O4的反應(yīng)可以迅速達(dá)到平衡，體系的總壓強(qiáng)p隨時(shí)間t的變化如下表所示(t＝∞時(shí)，N2O5(g)完全分解)：

t/min	0	40	80	160	260	1300	1700	∞
p/kPa	35.8	40.3	42.5	45.9	49.2	61.2	62.3	63.1

(1)已知：2N2O5(g)＝2N2O4(g)＋O2(g) △H1＝－4.4 kJ· mol－1

N2O4(g)2NO2(g) △H2＝＋55.3 kJ· mol－1

則反應(yīng)N2O5(g)＝2NO2(g)＋O2(g)的 △H＝________kJ· mol－1。

(2)若提高反應(yīng)溫度至35℃，則N2O5(g)完全分解后體系壓強(qiáng)介p∞(35℃)______63.1kPa(填“大于”“等于”或“小于”)，原因是________________________________________________。

(3)25℃時(shí)N2O4(g)2NO2(g)反應(yīng)的平衡常數(shù)Kp＝________kPa (Kp為以分壓表示的平衡常數(shù)，計(jì)算結(jié)保留1位小數(shù))。下圖中可以示意平衡常數(shù)Kp隨溫度T變化趨勢的是_______。

(4)鄰二甲苯經(jīng)硝化得到兩種一硝化產(chǎn)物：3－硝基鄰二甲苯(3－NOX)和4－硝基鄰二甲苯(4－NOX)。某研究小組研究了采用N2O5為硝化劑時(shí)催化劑用量對(duì)該反應(yīng)的影響。將一定量的催化劑和鄰二甲苯置于反應(yīng)瓶中，控制溫度反應(yīng)一定時(shí)間。測得鄰二甲苯的轉(zhuǎn)化率和3－NOX的選擇性如圖所示：

①描述并解釋隨著催化劑用量的增加，鄰二甲苯轉(zhuǎn)化率的變化趨勢：____________。

②在圖中畫出4－NOX的選擇性隨催化劑用量變化的曲線_____________。

Answer 1

【答案】+53.1 大于 溫度升高，容器容積不變，且二氧化氮二聚為放熱反應(yīng)，溫度提高，平衡左移，體系物質(zhì)的量增加，總壓強(qiáng)提高 13.4 BC 反應(yīng)一定時(shí)間并未達(dá)到平衡狀態(tài)，當(dāng)催化加用量在0-0.20g時(shí)隨著用量的增加反應(yīng)速率加快，鄰二甲苯轉(zhuǎn)化率增加；當(dāng)催化劑用量超過0.20g時(shí)大量的催化劑可能會(huì)催化N2O5的分解，導(dǎo)致鄰二甲苯轉(zhuǎn)化率降低

【解析】

(1) 已①2N2O5(g)=2N2O4(g)+O2(g)△H1=4.4kJ/mol、②2NO2(g)=N2O4(g)△H2=+55.3kJ/mol，根據(jù)蓋斯定律可知，①②即得到N2O5(g)=2NO2(g)+O2(g)，據(jù)此計(jì)算△H的值；

(2)溫度升高，容器容積不變，且二氧化氮二聚為吸熱反應(yīng)，溫度提高，平衡右移，體系物質(zhì)的量增加，總壓強(qiáng)提高；

(3)根據(jù)五氧化二氮完全分解時(shí)的壓強(qiáng)計(jì)算出二氧化氮、氧氣的壓強(qiáng)，然后再根據(jù)二氧化氮轉(zhuǎn)化的方程式計(jì)算平衡時(shí)二氧化氮、四氧化二氮的壓強(qiáng)；根據(jù)2NO2(g)=N2O4(g)△H2=+55.3kJ/mol，反應(yīng)吸熱，升高溫度，平衡右移，平衡常數(shù)增大，則平衡常數(shù)的對(duì)數(shù)增大，但不是線性關(guān)系；升高溫度，T增大，減小，平衡左移，平衡常數(shù)減小，則平衡常數(shù)的對(duì)數(shù)減小，線性關(guān)系；

(4) ①根據(jù)圖像，反應(yīng)一定時(shí)間并未達(dá)到平衡狀態(tài)，當(dāng)催化加用量在0-0.20g時(shí)隨著用量的增加反應(yīng)速率加快，鄰二甲苯轉(zhuǎn)化率增加；當(dāng)催化劑用量超過0.20g時(shí)大量的催化劑可能會(huì)催化N2O5的分解，導(dǎo)致鄰二甲苯轉(zhuǎn)化率降低；

②根據(jù)題意，鄰二甲苯在催化劑作用下經(jīng)硝化得到兩種一硝化產(chǎn)物：3－硝基鄰二甲苯(3－NOX)和4－硝基鄰二甲苯(4－NOX)，催化劑的用量影響鄰二甲苯反應(yīng)發(fā)生轉(zhuǎn)化進(jìn)行的方向，根據(jù)圖像顯示，催化劑用量越多，3－硝基鄰二甲苯(3－NOX)生成量越少，反應(yīng)越向著生成4－硝基鄰二甲苯(4－NOX)反應(yīng)進(jìn)行，二者的生成量應(yīng)關(guān)于鄰二甲苯的轉(zhuǎn)化率50%呈對(duì)稱分布，或者說二者生成之和為100%，根據(jù)3－硝基鄰二甲苯(3－NOX)選擇性曲線呈對(duì)稱分布畫出曲線；

(1) 已①2N2O5(g)=2N2O4(g)+O2(g)△H1=4.4kJ/mol、②2NO2(g)=N2O4(g)△H2=+55.3kJ/mol，根據(jù)蓋斯定律可知，①②即得到N2O5(g)=2NO2(g)+O2(g)△H=+53.1kJ/mol，

故答案為：+53.1；

(2)由于溫度升高，容器容積不變，總壓強(qiáng)提高，且二氧化氮二聚為吸熱反應(yīng)，溫度提高，平衡右移，體系物質(zhì)的量增加，總壓強(qiáng)提高，所以若提高反應(yīng)溫度至35℃，則N2O5(g)完全分解后體系壓強(qiáng)p∞(35℃)大于63.1kPa，

故答案為：大于；溫度升高，容器容積不變，且二氧化氮二聚為放熱反應(yīng)，溫度提高，平衡左移，體系物質(zhì)的量增加，總壓強(qiáng)提高；

(3)根據(jù)表中數(shù)據(jù)可知五氧化二氮完全分解時(shí)的壓強(qiáng)是63.1kPa，根據(jù)方程式可知完全分解時(shí)最初生成的二氧化氮的壓強(qiáng)是35.8kPa×2=71.6kPa，氧氣是35.8kPa×=17.9kPa，總壓強(qiáng)應(yīng)該是71.6kPa+17.9kPa=89.5kPa，平衡后壓強(qiáng)減少了89.5kPa63.1kPa=26.4kPa，所以根據(jù)方程式2NO2(g)N2O4(g)可知，平衡時(shí)四氧化二氮對(duì)應(yīng)的壓強(qiáng)是26.4kPa，二氧化氮對(duì)應(yīng)的壓強(qiáng)是71.6kPa26.4kPa×2=18.8kPa，則反應(yīng)的平衡常數(shù)Kp=≈13.4kPa；根據(jù)2NO2(g)=N2O4(g)△H2=+55.3kJ/mol，反應(yīng)吸熱，升高溫度，平衡右移，平衡常數(shù)增大，則平衡常數(shù)的對(duì)數(shù)增大，但不是線性關(guān)系；升高溫度，T增大，減小，平衡左移，平衡常數(shù)減小，則平衡常數(shù)的對(duì)數(shù)減小，線性關(guān)系，故答案選BC。

故答案為：13.4；BC；

(4) ①根據(jù)圖像，反應(yīng)一定時(shí)間并未達(dá)到平衡狀態(tài)，當(dāng)催化加用量在0-0.20g時(shí)隨著用量的增加反應(yīng)速率加快，鄰二甲苯轉(zhuǎn)化率增加；當(dāng)催化劑用量超過0.20g時(shí)大量的催化劑可能會(huì)催化N2O5的分解，導(dǎo)致鄰二甲苯轉(zhuǎn)化率降低，

故答案為：反應(yīng)一定時(shí)間并未達(dá)到平衡狀態(tài)，當(dāng)催化加用量在0-0.20g時(shí)隨著用量的增加反應(yīng)速率快，鄰二甲苯轉(zhuǎn)化率增加；當(dāng)催化劑用量超過0.20g時(shí)大量的催化劑可能會(huì)催化N2O5的分解，導(dǎo)致鄰二甲苯轉(zhuǎn)化率降低；

②根據(jù)題意，鄰二甲苯在催化劑作用下經(jīng)硝化得到兩種一硝化產(chǎn)物：3－硝基鄰二甲苯(3－NOX)和4－硝基鄰二甲苯(4－NOX)，催化劑的用量影響鄰二甲苯反應(yīng)發(fā)生轉(zhuǎn)化進(jìn)行的方向，根據(jù)圖像顯示，催化劑用量越多，3－硝基鄰二甲苯(3－NOX)生成量越少，反應(yīng)越向著生成4－硝基鄰二甲苯(4－NOX)反應(yīng)進(jìn)行，二者的生成量應(yīng)關(guān)于鄰二甲苯的轉(zhuǎn)化率50%呈對(duì)稱分布，或者說二者生成之和為100%，則4－NOX的選擇性隨催化劑用量變化的曲線為，

故答案為：。