Question

（10分）NO₂和N₂O₄混合氣體的針管實驗是高中化學的經典素材。理論估算和實測發現，混合氣體體積由V壓縮為V/2，溫度由298K升至311K。已知這兩個溫度下N₂O₄(g) 2NO₂(g)的壓力平衡常數K_p分別為0.141和0.363。
6-1 通過計算回答，混合氣體經上述壓縮后，NO₂的濃度比壓縮前增加了多少倍。
6-2 動力學實驗證明，上述混合氣體幾微秒內即可達成化學平衡。壓縮后的混合氣體在室溫下放置，顏色如何變化？為什么？

Answer 1

（10分）
6-1
⑴設混合氣體未被壓縮，在298K（V₁、T₁）達平衡，N₂O₄(g)的平衡分壓為p₁，NO₂(g)的平衡分壓為p₂，則
p₁ + p₂ =" 1atm                          " (a)
K_P(298K) = (p₂/p^?)²/(p₁/p^?) =" 0.141        " (b)
解聯立方程(a)和(b)，得：
p₁ =" 0.688" atm，  p₂ =" 0.312" atm
⑵設針管壓縮未發生平衡移動，已知p_T1 = 1atm，T₁ = 298K，T₂ = 311K，V₂/V₁ = 1/2，根據理想氣體狀態方程p_T1 V₁/ T₁ = p_T2 V₂/ T₂，解得：
p_T2 =" 2.087" atm，N₂O₄(g)的分壓p₁ =" 1.436" atm，NO₂的分壓p₂ =" 0.651" atm
⑶壓縮引發壓力變化，Q_P = 0.651²/1.436 =" 0.296" < 0.363 = K_P(311K)，平衡正向移動。設達到平衡時N₂O₄(g)分壓減小x atm，則NO₂的分壓增加2x atm，有：
K_P(311K) = [(p₂ +2x)/p^?]²/[(p₁-x)/p^?] =" 0.363        " (c)
解得：x =" 0.0317" atm。
N₂O₄(g)的平衡分壓p₁(311K) =" 1.404" atm，NO₂(g)的平衡分壓為p₂(311K) ="0.714" atm
⑷濃度比等于分壓比：p₂(311K)/ p₂(298K) =" 0.714/0.312" = 2.29，增加了1.29倍。
6-2 壓縮后的混合氣體在室溫下放置，溫度逐漸下降，平衡象放熱方向移動，NO₂聚合成N₂O₄，顏色逐漸變淺，直到體系溫度降至室溫，顏色不再變化。

略