题目
694℃下,从mathrm(N)_2mathrm(O)开始进行气相反应:2mathrm(N)_2mathrm(O) = 2mathrm(N)_2 + mathrm(O)_2。反应的半衰期与mathrm(N)_2mathrm(O)的初始压力成反比,且当mathrm(N)_2mathrm(O)的初始压力为39.2mathrm(kPa)时半衰期为1520mathrm(s)。计算2000mathrm(s)后,mathrm(N)_2mathrm(O)分解率为______。
694℃下,从$\mathrm{N}_2\mathrm{O}$开始进行气相反应:$2\mathrm{N}_2\mathrm{O} = 2\mathrm{N}_2 + \mathrm{O}_2$。反应的半衰期与$\mathrm{N}_2\mathrm{O}$的初始压力成反比,且当$\mathrm{N}_2\mathrm{O}$的初始压力为$39.2\mathrm{kPa}$时半衰期为$1520\mathrm{s}$。计算$2000\mathrm{s}$后,$\mathrm{N}_2\mathrm{O}$分解率为______。
题目解答
答案
根据题意,反应为二级反应,$ t_{1/2} = \frac{1}{k p_0} $。由 $ t_{1/2} = 1520 \, \text{s} $ 和 $ p_0 = 39.2 \, \text{kPa} $,可得:
\[ k = \frac{1}{1520 \times 39.2} = \frac{1}{59584} \, \text{s}^{-1} \cdot \text{kPa}^{-1} \]
2000秒后,$ \frac{1}{p} = \frac{1}{39.2} + \frac{2000}{59584} = 0.05908 \, \text{kPa}^{-1} $,故 $ p \approx 16.93 \, \text{kPa} $。
分解率:
\[ \alpha = \frac{39.2 - 16.93}{39.2} \times 100\% \approx 56.8\% \]
答案:约56.8%。
解析
本题考查二级反应的动力学计算,解题思路如下:
- 首先根据半衰期与初始压力的关系判断反应级数。已知反应的半衰期与$\mathrm{N}_2\mathrm{O}$的初始压力成反比,对于二级反应,其半衰期公式为$t_{1/2}=\frac{1}{kp_0}$(其中$t_{1/2}$为半衰期,$k$为反应速率常数,$p_0$为反应物的初始压力),所以可判断该反应为二级反应。
- 然后根据已知的半衰期和初始压力计算反应速率常数$k$。已知$t_{1/2} = 1520\mathrm{s}$,$p_0 = 39.2\mathrm{kPa}$,将其代入二级反应半衰期公式$t_{1/2}=\frac{1}{kp_0}$,可得$k=\frac{1}{t_{1/2}p_0}$。
- 计算过程:$k = \frac{1}{1520\times39.2}=\frac{1}{59584}\mathrm{s}^{-1}\cdot\mathrm{kPa}^{-1}$。
- 接着计算$2000\mathrm{s}$后$\mathrm{N}_2\mathrm{O}$的压力$p$。对于二级反应,其积分速率方程为$\frac{1}{p}-\frac{1}{p_0}=kt$(其中$p$为$t$时刻反应物的压力)。
- 已知$p_0 = 39.2\mathrm{kPa}$,$k=\frac{1}{59584}\mathrm{s}^{-1}\cdot\mathrm{kPa}^{-1}$,$t = 2000\mathrm{s}$,将其代入积分速率方程可得:
- $\frac{1}{p}=\frac{1}{p_0}+kt=\frac{1}{39.2}+\frac{2000}{59584}$。
- 先计算$\frac{1}{39.2}\approx0.02551$,$\frac{2000}{59584}\approx0.03356$。
- 则$\frac{1}{p}=0.02551 + 0.03356=0.05907\mathrm{kPa}^{-1}$,所以$p=\frac{1}{0.05907}\approx16.93\mathrm{kPa}$。
- 已知$p_0 = 39.2\mathrm{kPa}$,$k=\frac{1}{59584}\mathrm{s}^{-1}\cdot\mathrm{kPa}^{-1}$,$t = 2000\mathrm{s}$,将其代入积分速率方程可得:
- 最后计算$\mathrm{N}_2\mathrm{O}$的分解率$\alpha$。分解率的计算公式为$\alpha=\frac{p_0 - p}{p_0}\times100\%$。
- 将$p_0 = 39.2\mathrm{kPa}$,$p = 16.93\mathrm{kPa}$代入公式可得:
- $\alpha=\frac{39.2 - 16.93}{39.2}\times100\%=\frac{22.27}{39.2}\times100\%\approx56.8\%$。
- 将$p_0 = 39.2\mathrm{kPa}$,$p = 16.93\mathrm{kPa}$代入公式可得: