Question

（10分）NO₂和N₂O₄混合气体的针管实验是高中化学的经典素材。理论估算和实测发现，混合气体体积由V压缩为V/2，温度由298K升至311K。已知这两个温度下N₂O₄(g) 2NO₂(g)的压力平衡常数K_p分别为0.141和0.363。

6-1 通过计算回答，混合气体经上述压缩后，NO₂的浓度比压缩前增加了多少倍。

6-2 动力学实验证明，上述混合气体几微秒内即可达成化学平衡。压缩后的混合气体在室温下放置，颜色如何变化？为什么？

 

Answer 1

【答案】

（10分）

6-1

⑴ 设混合气体未被压缩，在298K（V₁、T₁）达平衡，N₂O₄(g)的平衡分压为p₁，NO₂(g)的平衡分压为p₂，则

        p₁ + p₂ = 1atm                           (a)

        K_P(298K) = (p₂/p^Ө)²/(p₁/p^Ө) = 0.141         (b)

解联立方程(a)和(b)，得：

        p₁ = 0.688 atm，  p₂ = 0.312 atm

⑵ 设针管压缩未发生平衡移动，已知p_T1 = 1atm，T₁ = 298K，T₂ = 311K，V₂/V₁ = 1/2，根据理想气体状态方程p_T1 V₁/ T₁ = p_T2 V₂/ T₂，解得：

p_T2 = 2.087 atm，N₂O₄(g)的分压p₁ = 1.436 atm，NO₂的分压p₂ = 0.651 atm

⑶ 压缩引发压力变化，Q_P = 0.651²/1.436 = 0.296 < 0.363 = K_P(311K)，平衡正向移动。设达到平衡时N₂O₄(g)分压减小x atm，则NO₂的分压增加2x atm，有：

        K_P(311K) = [(p₂ +2x)/p^Ө]²/[(p₁-x)/p^Ө] = 0.363         (c)

解得：x = 0.0317 atm。

N₂O₄(g)的平衡分压p₁(311K) = 1.404 atm，NO₂(g)的平衡分压为p₂(311K) =0.714 atm

⑷ 浓度比等于分压比：p₂(311K)/ p₂(298K) = 0.714/0.312 = 2.29，增加了1.29倍。

6-2 压缩后的混合气体在室温下放置，温度逐渐下降，平衡象放热方向移动，NO₂聚合成N₂O₄，颜色逐渐变浅，直到体系温度降至室温，颜色不再变化。

【解析】略