Question

5．工業(yè)上合成氨的反應：N₂（g）+3H₂（g）═2NH₃（g）△H=-92.60kJ•mol^-1．
（1）在絕熱、容積固定的密閉容器中發(fā)生反應：N₂（g）+3H₂（g）═2NH₃（g），下列說法能說明上述反應向正反應方向進行的是②④（填序號）．
①單位時間內(nèi)生成2n mol NH₃的同時生成3n mol H₂
②單位時間內(nèi)生成6n mol N-H鍵的同時生成2n mol H-H鍵
③用N₂、H₂、NH₃的物質的量濃度變化表示的反應速率之比為1：3：2
④混合氣體的平均摩爾質量增大
⑤容器內(nèi)的氣體密度不變
（2）已知合成氨反應在某溫度下2L的密閉容器中進行，測得如下數(shù)據(jù)：

時間（h） 物質的量（mol）	0	1	2	3	4
N2	1.50	n1	1.20	n3	1.00
H2	4.50	4.20	3.60	n4	3.00
NH3	0	0.20		1.00	1.00

根據(jù)表中數(shù)據(jù)計算：
①反應進行到2h時放出的熱量為27.66 kJ．
②此溫度下該反應的化學平衡常數(shù)K=0.15（保留兩位小數(shù)）．
③反應達到平衡后，若往平衡體系中再加入N₂、H₂和NH₃各1.00mol，化學平衡將向正反應方向移動（填“正反應”或“逆反應”或“不移動”）．
④有甲、乙兩個完全相同的容器，向甲容器中加入1mol N₂ （g）和6mol H₂ （g），在一定條件下達到平衡時的熱效應（吸熱或放熱）為Q，在相同條件下向乙容器中加入2mol NH₃ （g）和3mol H₂ （g），達到平衡時的熱效應（放熱或吸熱）為4Q．則甲容器中H₂的轉化率為10%．

Answer 1

分析 （1）在絕熱、容積固定的密閉容器中發(fā)生反應：N₂（g）+3H₂（g）═2NH₃（g），隨反應進行溫度升高，平衡逆向進行，
①單位時間內(nèi)生成2n mol NH₃的同時生成3n mol H₂ ，此時正逆反應速率相同；
②單位時間內(nèi)生成6n mol N-H鍵，是指生成2molNH₃，同時生成2n mol H-H鍵，說明是生成2molH₂，氫氣生成少于氨氣生成；
③用N₂、H₂、NH₃的物質的量濃度變化表示的反應速率之比始終為1：3：2；
④反應前后氣體質量不變，正反應氣體物質的量減小，混合氣體的平均摩爾質量增大；
⑤氣體質量和體積不變，容器內(nèi)的氣體密度始終不變；
（2）①依據(jù)反應的焓變結合化學方程式計算放出的熱量；
②根據(jù)3、4小時的時間段氨氣的物質的量不變，說明達到了平衡狀態(tài)，根據(jù)氨氣的物質的量計算出消耗的氮氣和氫氣的物質的量及平衡時的濃度，
再根據(jù)平衡常數(shù)表達式K=$\frac{{C}^{2}（N{H}_{3}）}{c（{N}_{2}）{c}^{3}（{H}_{2}）}$計算出該溫度下的平衡常數(shù)；
③根據(jù)加入氨氣、水和氨氣后的濃度商判斷平衡移動方向；
④由于1molN₂和6molH₂完全反應可以生成2molNH₃，在相同條件下向乙容器中加入2mol NH₃ （g）和3mol H₂ （g），極值轉化為起始量，相當于起始量為1molN₂和6molH₂，所以甲乙兩個體系的平衡狀態(tài)是一樣的，即對應氣體的濃度完全相同． 對于同一可逆反應，相同條件下，正反應的反應熱與逆反應的反應熱，數(shù)值相等，符號相反，N₂和H₂完全反應時放熱Q，則NH₃完全分解時吸熱也是Q，根據(jù)三段式利用x表示出平衡時甲容器內(nèi)反應混合物各組分的物質的量為 N₂（1-x ）mol、H₂（6-3x ）mol、NH₃2xmol，放出熱量Q₁=xQkJ；則乙容器反應混合物各組分的物質的量也是為 N₂（1-x ）mol、H₂（6-3x ）mol、NH₃2xmol，所以分解的NH₃的物質的量為（2-2x）mol，吸收熱量（1-x）QkJ，利用Q₂=4Q₁，列放出求出x的值，轉化的H₂為3x，利用轉化率定義計算；

解答 解：（1）在絕熱、容積固定的密閉容器中發(fā)生反應：N₂（g）+3H₂（g）═2NH₃（g），隨反應進行溫度升高，平衡逆向進行，
①單位時間內(nèi)生成2n mol NH₃的同時生成3n mol H₂ ，此時正逆反應速率相同，反應達到平衡狀態(tài)，故①不符合；
②單位時間內(nèi)生成6n mol N-H鍵的同時生成2n mol H-H鍵，氫氣生成少于氨氣生成，平衡正向進行，故②符合；
③用N₂、H₂、NH₃的物質的量濃度變化表示的反應速率之比始終為1：3：2，不能說明反應正向進行，故③不符合；
④反應前后氣體質量不變，氣體物質的量減小，當混合氣體的平均摩爾質量增大，說明反應正向進行，故④符合；
⑤氣體質量和體積不變，容器內(nèi)的氣體密度始終不變，不能說明反應正向進行，故⑤不符合；
故答案為：②④；
（2）①N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H=-92.60kJ•mol^-1，生成2mol氨氣放熱92.60kJ，反應進行到2小時時，氮氣的物質的量變化了1.5mol-1.2mol=0.3mol，則生成氨氣0.6mol，放出的熱量為$\frac{92.6}{2}$kJ×0.6=27.78kJ，
故答案為：27.78；
②根據(jù)表中數(shù)據(jù)可知，反應在第3和4小時時間段內(nèi)氨氣的物質的量不變，說明達到了平衡狀態(tài)，此時生成了1.00mol氨氣，
列出化學平衡的三段式為  N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g），
 反應開始前（mol）     1.5      4.5      0
變化量（mol）          0.5     1.5       1
平衡時（mol）          1       3         1  
平衡時濃度（mol/L）   0.500     1.500     0.5
此溫度下該反應的化學平衡常數(shù)K=$\frac{{C}^{2}（N{H}_{3}）}{c（{N}_{2}）{c}^{3}（{H}_{2}）}$=$\frac{0．{5}^{2}}{1．{5}^{3}×0.5}$≈0.15，
故答案為：0.15；
③反應達到平衡后，若往平衡體系中再加入N₂、H₂O、NH₃各1mol，此時各組分的濃度為：
c（N₂）=$\frac{1.00mol+1.00mol}{2.00L}$=1.00mol/L，c（H₂）=$\frac{3.00mol+1.00mol}{2.00L}$=2.00mol/L，c（N₂）=$\frac{1.00mol+1.00mol}{2.00L}$=1.00mol/L，
濃度商為：Qc=$\frac{{C}^{2}（N{H}_{3}）}{c（{N}_{2}）{c}^{3}（{H}_{2}）}$
=$\frac{1.0{0}^{2}}{2.0{0}^{3}×1.00}$=0.125＜k=0.15，所以平衡向著正向移動，
故答案為：正反應．
由于1molN₂和3molH₂完全反應可以生成2molNH₃，所以甲乙兩個體系的平衡狀態(tài)是一樣的，即三種氣體的濃度完全相同，對于同一可逆反應，相同條件下，正反應的反應熱與逆反應的反應熱，數(shù)值相等，符號相反．N₂和H₂完全反應時放熱Q，則NH₃完全分解時吸熱也是Q，
④假設甲容器中的參加反應的氮氣的物質的量為xmol，所以：
對于甲容器：N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H=-QkJ/mol
起始（mol）：1      6        0
變化（mol）：x      3x       2x
平衡（mol）：1-x    6-3x     2x
所以Q₁=xQkJ，
乙容器反應混合物各組分的物質的量也是為N₂（1-x ）mol、H₂（6-3x ）mol、NH₃2xmol，所以分解的NH₃的物質的量為（2-2x）mol，
對于乙容器：2NH₃（g）?N₂（g）+3H₂（g）△H=+QkJ/mol，故吸收的熱量Q₂=$\frac{2-2x}{2}$QkJ=（1-x）QkJ，所以（1-x）Q=4xQ，解得x=0.2，所以H₂的轉化率為$\frac{0.2mol×3}{6mol}$×100%=10%，故答案為：10%；

點評 本題考查了蓋斯定律的應用、反應熱的計算、化學平衡常數(shù)的計算與應用、化學反應速率與化學計量數(shù)的關系等知識，涉及的知識點較多，試題綜合性強，難度較大，有利于培養(yǎng)學生的邏輯思維能力和發(fā)散思維能力，提高學生的應試能力和學習效率．