Question

2．農(nóng)業(yè)對化肥的需求是合成氨工業(yè)發(fā)展的持久推動力．

（1）已知：N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H=-92.4kJ•mol^-1．如圖1表示500℃、60.0MPa條件下，原料氣H₂和N₂的投料比與平衡時NH₃體積分數(shù)的關(guān)系．
①工業(yè)上合成氨的溫度一般控制在500℃，原因是該溫度下催化劑的活性最好．
②根據(jù)圖1中a點數(shù)據(jù)計算N₂的平衡體積分數(shù)為14.5%，此時H₂和N₂的轉(zhuǎn)化率之比為1：1．
（2）合成氨工業(yè)中，在其他條件相同時，請你畫出N₂的平衡轉(zhuǎn)化率在不同壓強（p₁＞p₂）下隨溫度變化的曲線圖．
（3）在500℃，反應N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）中，將2mol N₂和6mol H₂充入一個固定容積為1L的密閉容器中，隨著反應的進行，氣體混合物中n（H₂）、n（NH₃）與反應時間t的關(guān)系如表所示．

t/min	0	5	10	15	20	25	30
N（H2）/mol	6.00	4.50	3.60	3.30	3.03	3.00	3.00
N（NH3）/mol	0	1.00	1.60	1.80	1.98	2.00	2.00

①根據(jù)上表實驗數(shù)據(jù)，計算該反應的平衡常數(shù)K=$\frac{4}{27}$．（保留3位有效數(shù)字）
②該溫度下，若向同容積的另一容器中投入的N₂、H₂、NH₃濃度均為3mol/L，此時v_正大于v_逆（填“大于”、“小于”或“等于”）．
③根據(jù)上表中數(shù)據(jù)得到的“濃度-時間”關(guān)系可用如圖3中曲線表示，其中表示c（N₂）-t的曲線是乙（填“甲”、“乙”或“丙”）．在此溫度下，若起始充入4molN₂和12mol H₂，反應剛達到平衡時，氫氣的濃度可用B點表示（從A～G點中選擇）．
（4）近年，又有科學家提出在常溫、常壓、催化劑等條件下合成氨氣的新思路，反應原理為：2N₂（g）+6H₂O（I）?4NH₃（g）+3O₂（g），則其反應熱△H=+1530 kJ•mol^-1．（已知：2H₂（g）+O₂（g）=2H₂O（I）△H=-571.6kJ•mol^-1）

Answer 1

分析 （1）①氨氣的合成是放熱的、體積減小的可逆反應，溫度高，可以提高反應速率，但平衡逆向移動，同時在該溫度下酶的活性最大；
②根據(jù)圖1可知H₂與N₂的投料比為3，平衡時NH₃體積分數(shù)為42%，設H₂物質(zhì)的量為3amol，N₂物質(zhì)的量為amol，N₂轉(zhuǎn)化的物質(zhì)的量為x，根據(jù)平衡三部曲，利用NH₃體積分數(shù)計算出各物質(zhì)的物質(zhì)的量，從而求出平衡體積分數(shù)；N₂、H₂起始物質(zhì)的量之比等于化學計量數(shù)之比，則平衡時N₂、H₂物質(zhì)的量濃度之比等于化學計量數(shù)之比，轉(zhuǎn)化率相等；
（2）合成氨反應為放熱反應，升高溫度，轉(zhuǎn)化率減小，據(jù)此畫出變化圖象；
（3）①由表可知表可知25min反應達平衡狀態(tài)，
              N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g），
初起（mol/L）：2       6         0 
變化（mol/L）：1       3         2
平衡（mol/L）：1       3         2
此時平衡常數(shù)為：K=$\frac{{2}^{2}}{{3}^{3}×1}$=$\frac{4}{27}$；
②根據(jù)Qc與K的大小平衡判斷正逆反應速率的大小；
③由反應方程式可知：N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）變化量之比等于對應物質(zhì)的化學計量數(shù)之比，而△n甲：△n乙：△n丙=3：1：2，所以表示c（N₂）～t的曲線是乙；在此溫度下，若起始充入4molN₂和12molH₂，相當于在原來基礎上增加壓強，平衡正向移動，所以比原平衡的兩倍小，而且達平衡的時間縮短；
（4）已知：①N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H=-92.4kJ•mol^-1，
②2H₂（g）+O₂（g）?2H₂O（l）△H=-571.6kJ•mol^-1，
由蓋斯定律：①×2-②×3得2N₂（g）+6H₂O（l）?4NH₃（g）+3O₂（g），據(jù)此分析．

解答 解：（1）①氨氣的合成是放熱的、體積減小的可逆反應，溫度高，可以提高反應速率，但平衡逆向移動，同時在該溫度下酶的活性最大，所以工業(yè)上合成氨的溫度一般控制在500℃，原因是該溫度下催化劑的活性最好，
故答案為：該溫度下催化劑的活性最好；
②根據(jù)圖1可知H₂與N₂的投料比為3，平衡時NH₃體積分數(shù)為42%，設H₂物質(zhì)的量為3amol，N₂物質(zhì)的量為amol，N₂轉(zhuǎn)化的物質(zhì)的量為x，則
                   N₂+3H₂?2NH₃
起始（mol）   a    3a          0 
反應（mol）   x    3x          2x 
平衡（mol）  a-x  3a-3x        2x 
則：$\frac{2x}{a-x+3a-3x+2x}$×100%=42%，解得x=0.592a，則N₂的平衡體積分數(shù)=$\frac{a-0.592a}{4a-2×0.592a}$×100%=14.5%；
N₂、H₂起始物質(zhì)的量之比等于化學計量數(shù)之比，則平衡時N₂、H₂物質(zhì)的量濃度之比等于化學計量數(shù)之比為1：3，轉(zhuǎn)化率相等，所以其轉(zhuǎn)化率之比為1：1，
故答案為：14.5%；1：1；
（2）合成氨反應為放熱反應，升高溫度，轉(zhuǎn)化率減小，據(jù)此圖象為：，
故答案為：；
（3）①由表可知表可知25min反應達平衡狀態(tài)，
              N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g），
初起（mol/L）：2       6         0 
變化（mol/L）：1       3         2
平衡（mol/L）：1       3         2
此時平衡常數(shù)為：K=$\frac{{2}^{2}}{{3}^{3}×1}$=$\frac{4}{27}$，
故答案為：$\frac{4}{27}$；
②根據(jù)Qc=$\frac{{3}^{2}}{{3}^{3}×3}$=$\frac{3}{27}$＜K，所以平衡正向移動，即此時v_正大于v_逆，
故答案為：大于；
③由反應方程式可知：N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）變化量之比等于對應物質(zhì)的化學計量數(shù)之比，而△n甲：△n乙：△n丙=3：1：2，所以表示c（N₂）～t的曲線是乙；在此溫度下，若起始充入4molN₂和12molH₂，相當于在原來基礎上增加壓強，平衡正向移動，所以比原平衡的兩倍小，而且達平衡的時間縮短，則應是點B，
故答案為：乙；B；
（4）已知：①N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H=-92.4kJ•mol^-1，
②2H₂（g）+O₂（g）?2H₂O（l）△H=-571.6kJ•mol^-1，
由蓋斯定律：①×2-②×3得2N₂（g）+6H₂O（l）?4NH₃（g）+3O₂（g），△H=（-92.4kJ•mol^-1）×2-（-571.6kJ•mol^-1）×3=+1530 kJ•mol^-1；
故答案為：+1530 kJ•mol^-1．

點評 本題考查了化學平衡影響因素分析，平衡計算應用，注意反應特征的計算應用，圖象繪制，掌握基礎是關(guān)鍵，題目難度較大