Question

4．合成氨是人類科學技術上的一項重大突破．工業(yè)上以天然氣為原料合成氨．其生產(chǎn)工藝如下：造氣階段→轉(zhuǎn)化階段→分離凈化→合成階段
（1）造氣階段的反應為：CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）△H=+206.1kJ/mol
①在一密閉容器中進行上述反應，測得 CH₄的物質(zhì)的量濃度隨反應時間的變化如下圖1所示．反應中處于平衡狀態(tài)的時間為5～10min、12min后；10min時，改變的外界條件可能是升高溫度．
②如圖2所示，在初始容積相等的甲、乙兩容器中分別充入等物質(zhì)的量的CH₄和H₂O．在相同溫度下發(fā)生反應，并維持反應過程中溫度不變．則達到平衡時，兩容器中CH₄的轉(zhuǎn)化率大小關系為：α_甲（CH₄）＜α_乙（CH₄）；

（2）轉(zhuǎn)化階段發(fā)生的可逆反應為：CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）
一定溫度下，反應的平衡常數(shù)為K=1．某時刻測得該溫度下的密閉容器中各物質(zhì)的物質(zhì)的量見下表：

CO	H2O	CO2	H2
0.5mol	8.5mol	2.0mol	2.0mol

此時反應中正、逆反應速率的關系式是a（填序號）．
a．v（正）＞v（逆）     b．v（正）＜v（逆）      c．v（正）=v（逆）     d．無法判斷
（3）合成氨反應為：N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H=-92.4kJ•mol?¹
①依據(jù)溫度對合成氨反應的影響，在圖3坐標系中，畫出一定條件下的密閉容器內(nèi)，從通入原料氣開始，隨溫度不斷升高，NH₃物質(zhì)的量變化的曲線示意圖．
②根據(jù)勒夏特列原理，簡述提高合成氨原料轉(zhuǎn)化率的一種方法增大壓強或降低溫度或分離液氨．
（4）工業(yè)合成氨的熱化學方程式為
N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g），△H=-92.4kJ•mol^-1．
在某壓強恒定的密閉容器中加入2mol N₂和4mol H₂，達到平衡時，N₂的轉(zhuǎn)化率為50%，體積變?yōu)?0L．求：
①該條件下的平衡常數(shù)為400；
②若向該容器中加入a mol N₂、b mol H₂、c mol NH₃，且a、b、c均大于0，在相同條件下達到平衡時，混合物中各組分的物質(zhì)的量與上述平衡相同．反應放出的熱量＜（填“＞”“＜”或“=”）92.4kJ．

Answer 1

分析 （1）①處于平衡狀態(tài)時，各組分的濃度保持不變；
10min時，改變的外界條件，瞬間甲烷濃度不變，而后減小，說明改變條件平衡正向移動；
②反應過程中溫度不變，正反應為氣體物質(zhì)的量增大的反應，甲中壓強增大，而乙中壓強不變，甲等效為乙平衡的基礎上增大壓強，與乙中平衡相比逆向移動；
（2反應前后氣體體積不變，用物質(zhì)的量代替濃度計算濃度商Qc，若Qc=K，處于平衡狀態(tài)，若Qc＜K，反應向正反應進行，若Qc＞K，反應向逆反應進行，進而確定反應中正、逆反應速率的關系；
（3）①從通入原料氣開始，隨溫度不斷升高，開始階段反應未到達平衡，NH₃物質(zhì)的量增大，到達平衡時NH₃物質(zhì)的量最大，而后升高溫度，平衡逆向移動，NH₃物質(zhì)的量又減小；
②根據(jù)勒夏特列原理，增大壓強或降低溫度或分離液氨都有利于平衡正向移動，反應物轉(zhuǎn)化率增大；
（4）在某壓強恒定的密閉容器中加入2mol N₂和4mol H₂，達到平衡時，N₂的轉(zhuǎn)化率為50%，轉(zhuǎn)化的氮氣為2mol×50%=1mol，則：
            N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）
起始量（mol）：2      4        0
轉(zhuǎn)化量（mol）：1       3        2
平衡量（mol）：1       1        2
①平衡常數(shù)K=$\frac{{c}^{2}（N{H}_{3}）}{c（{N}_{2}）×{c}^{3}（{H}_{2}）}$；
②若向該容器中加入a mol N₂、b mol H₂、c mol NH₃，且a、b、c均大于0，在相同條件下達到平衡時，混合物中各組分的物質(zhì)的量與上述平衡相同，則轉(zhuǎn)化的氮氣小于1mol．

解答 解：（1）①由圖可知，5～10min、12min后甲烷的濃度均不發(fā)生變化，處于平衡狀態(tài)；
10min時，改變的外界條件，瞬間甲烷濃度不變，不能是改變壓強，而后甲烷濃度減小，說明改變條件平衡正向移動，正反應為放熱反應，可能是升高溫度，
故答案為：5～10min、12min后；升高溫度；
②反應過程中溫度不變，正反應為氣體物質(zhì)的量增大的反應，甲中壓強增大，而乙中壓強不變，甲等效為乙平衡的基礎上增大壓強，與乙中平衡相比逆向移動，則α_甲（CH₄）＜α_乙（CH₄），
故答案為：＜；
（2反應前后氣體體積不變，用物質(zhì)的量代替濃度計算濃度商Qc=$\frac{2×2}{0.5×8.5}$=0.94＜K=1，反應向正反應進行，故v（正）＞v（逆），
故選：a；
（3）①從通入原料氣開始，隨溫度不斷升高，開始階段反應未到達平衡，NH₃物質(zhì)的量增大，到達平衡時NH₃物質(zhì)的量最大，而后升高溫度，平衡逆向移動，NH₃物質(zhì)的量又減小，隨溫度不斷升高，NH₃物質(zhì)的量變化的曲線示意圖為：，
故答案為：；
②根據(jù)勒夏特列原理，增大壓強或降低溫度或分離液氨都有利于平衡正向移動，反應物轉(zhuǎn)化率增大，
故答案為：增大壓強或降低溫度或分離液氨；
（4）在某壓強恒定的密閉容器中加入2mol N₂和4mol H₂，達到平衡時，N₂的轉(zhuǎn)化率為50%，轉(zhuǎn)化的氮氣為2mol×50%=1mol，則：
            N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）
起始量（mol）：2      4        0
轉(zhuǎn)化量（mol）：1       3        2
平衡量（mol）：1       1        2
①平衡常數(shù)K=$\frac{{c}^{2}（N{H}_{3}）}{c（{N}_{2}）×{c}^{3}（{H}_{2}）}$=$\frac{（\frac{2}{10}）^{2}}{\frac{1}{10}×（\frac{1}{10}）^{3}}$=400，故答案為：400；
②若向該容器中加入a mol N₂、b mol H₂、c mol NH₃，且a、b、c均大于0，在相同條件下達到平衡時，混合物中各組分的物質(zhì)的量與上述平衡相同，則轉(zhuǎn)化的氮氣小于1mol，故反應放出的熱量＜92.4kJ，故答案為：＜．

點評 本題考查化學平衡計算與影響因素、平衡狀態(tài)特征、平衡常數(shù)計算及應用，是對學生綜合能力考查，難度中等．