Question

14．氨的合成是最重要的化工生產(chǎn)之一．
Ⅰ．工業(yè)上合氨用的H₂有多種制取的方法：
①用焦炭跟水反應(yīng)：C（s）+H₂O（g）$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$CO（g）+H₂（g）；
②用天然氣中水蒸氣反應(yīng)：CH₄（g）+H₂O（g）$\frac{\underline{\;催化劑\;}}{高溫}$CO（g）+3H₂（g）
  已知有關(guān)反應(yīng)的能量變化如圖所示，且方法②的反應(yīng)只能在高溫下發(fā)生，則方法②中反應(yīng)的△H=（a+3b-c）KJ/mol．

Ⅱ．在3個1L的密閉容器中，同溫度下、使用相同催化劑分別進(jìn)行反應(yīng)：
3H₂（g）+N₂（g）$?_{催化劑}^{高溫、高壓}$2NH₃（g），按不同方式設(shè)入反應(yīng)物，保持恒溫、恒容，反應(yīng)達(dá)到平衡時有關(guān)數(shù)據(jù)為：

容器	甲	乙	丙
反應(yīng)物投入量	3molH2、2molN2	6molH2、4molN2	2molNH3
達(dá)到平衡的時間（min）	T	5	8
平衡時N2的濃度（mol•L-1）	C1	3
N2的體積分?jǐn)?shù)	ω1	ω2	ω3
混合氣體密度（g•L-1）	ρ1	ρ2

（1）下列能說明該反應(yīng)已達(dá)到平衡狀態(tài)的是c．
a．容器內(nèi)N₂、H₂、NH₃的濃度之比為1：3：2  b．v（N₂）_正=3v（H₂）_逆
c．容器內(nèi)壓強(qiáng)保持不變                   d．混合氣體的密度保持不變
（2）甲容器中達(dá)到平衡所需的時間t＞5min（填“＞”、“＜”或“=”）．
（3）乙中從反應(yīng)開始到平衡時N₂的平均反應(yīng)速率0.2mol/（L．min），（注明單位）．
（4）分析上表數(shù)據(jù)，下列關(guān)系正確的是c．
a.2c₁=3mol/L  b．ω₁=ω₂  c.2ρ₁=ρ₂
（5）該溫度下，容器乙中，該反應(yīng)的平衡常數(shù)K=$\frac{4}{81}$（用分?jǐn)?shù)表示）（mol/L）^-2．
Ⅲ．（1）有人設(shè)想以N₂和H₂為反應(yīng)物，以溶有A的稀鹽酸為電解質(zhì)溶液，可制造出既能提供電能，又能固氮的新型燃料電池，裝置如圖1所示．

電池正極的電極反應(yīng)式是N₂+8H⁺+6e^-=2NH₄⁺，A是氯化銨．
（2）用氨合成尿素的反應(yīng)為2NH₃（g）+CO₂（g）?CO（NH₂）₂（s）+H₂O（g）．工業(yè)生產(chǎn)時，原料氣帶有水蒸氣．圖2表示CO₂的轉(zhuǎn)化率與氨碳比$\frac{n（N{H}_{3}）}{n（C{O}_{2}）}$、水碳比$\frac{n（{H}_{2}O）}{n（C{O}_{2}）}$的變化關(guān)系．
①曲線Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ對應(yīng)的水碳比最大是Ⅲ．
②測得B點(diǎn)氨的轉(zhuǎn)化率為40%，則x₁3．

Answer 1

分析 Ⅰ．由圖1、圖2、圖3可分別得熱化學(xué)方程式：
①CO（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═CO₂（g）△H₁=-akJ•mol^-1
②H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═H₂O（g）△H₂=-bkJ•mol^-1
③CH₄（g）+2O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（g）△H₃=-ckJ•mol^-1
根據(jù)蓋斯定律，由③-①-②×3可得：CH₄（g）+H₂O（g）═CO（g）+3H₂（g），則△H=△H₃-△H₁-3△H₂；
Ⅱ．（1）可逆反應(yīng)到達(dá)平衡時，同種物質(zhì)的正逆反應(yīng)速率相同，各組分的濃度、含量不變，由此衍生的其它一些物理量不變，判斷平衡的物理量應(yīng)隨反應(yīng)進(jìn)行發(fā)生變化，該物理量由變化到不變化說明到達(dá)平衡；
（2）乙等效為在甲基礎(chǔ)上壓強(qiáng)增大一倍，甲中反應(yīng)速率比乙中小，故達(dá)到平衡所需要的時間更長；
（3）乙容器5min到達(dá)平衡，平衡時氮?dú)鉂舛葹?mol/L，計(jì)算氮?dú)鉂舛茸兓�量，再根�?jù)v=$\frac{△c}{△t}$計(jì)算；
（4）乙等效為在在甲基礎(chǔ)上壓強(qiáng)增大一倍，平衡正向移動，平衡時乙中反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率比甲中大，平衡時氮?dú)獾捏w積分?jǐn)?shù)減��；
乙中混合氣體總質(zhì)量為甲中2倍，容器容積均為1L，密度之比等于氣體質(zhì)量之比；
（5）計(jì)算平衡時各組分濃度，代入平衡常數(shù)表達(dá)式K=$\frac{{c}^{2}（N{H}_{3}）}{{c}^{3}（{H}_{2}）×c（{N}_{2}）}$計(jì)算；
Ⅲ．（1）正極發(fā)生還原反應(yīng)，由原電池示意圖可知，氮?dú)庠谡龢O獲得電子，酸性條件下生成NH₄⁺，生成的A為氯化銨；
（2）①水碳比$\frac{n（{H}_{2}O）}{n（C{O}_{2}）}$越大，與有利于平衡逆向進(jìn)行，平衡時二氧化碳的轉(zhuǎn)化率越小；
②測得B點(diǎn)氨的轉(zhuǎn)化率為40%，二氧化碳轉(zhuǎn)化率為60%，令NH₃、CO₂起始物質(zhì)的量分別為amol、bmol，表示出轉(zhuǎn)化的氨氣、二氧化碳物質(zhì)的量，再根據(jù)二者按2：1反應(yīng)計(jì)算解答．

解答 解：Ⅰ．由圖1、圖2、圖3可分別得熱化學(xué)方程式：
①CO（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═CO₂（g）△H₁=-akJ•mol^-1
②H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═H₂O（g）△H₂=-bkJ•mol^-1
③CH₄（g）+2O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（g）△H₃=-ckJ•mol^-1
根據(jù)蓋斯定律，由③-①-②×3可得：CH₄（g）+H₂O（g）═CO（g）+3H₂（g），則△H=△H₃-△H₁-3△H₂=（a+3b-c）kJ•mol^-1，故答案為：（a+3b-c）kJ•mol^-1；
Ⅱ．（1）a．容器內(nèi)N₂、H₂、NH₃的濃度之比為1：3：2，不能說明達(dá)到判斷狀態(tài)，取決于起始配料比和轉(zhuǎn)化程度，故a錯誤；
b．當(dāng)3v（N₂）_正=v（H₂）_逆時，才說明達(dá)到平衡狀態(tài)，故b錯誤；
c．隨反應(yīng)進(jìn)行混合氣體物質(zhì)的量進(jìn)行，恒溫恒容下容器內(nèi)壓強(qiáng)減小，但容器內(nèi)壓強(qiáng)保持不變，說明達(dá)到平衡狀態(tài)，故c正確；
d．恒容時體積不變，質(zhì)量不變，則混合氣體的密度保持不變，不能達(dá)到平衡狀態(tài)，故d錯誤，
故答案為：c；
（2）乙等效為在甲基礎(chǔ)上壓強(qiáng)增大一倍，甲中反應(yīng)速率比乙中小，故甲達(dá)到平衡所需要的時間更長，即t＞5min，故答案為：＞；
（3）乙容器5min到達(dá)平衡，平衡時氮?dú)鉂舛葹?mol/L，則v（N₂）=$\frac{\frac{4mol}{1L}-3mol/L}{5min}$=0.2mol/（L．min），
故答案為：0.2mol/（L．min）；
（4）乙等效為在在甲基礎(chǔ)上壓強(qiáng)增大一倍，平衡正向移動，平衡時乙中反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率比甲中大，平衡時乙中氮?dú)獾捏w積分?jǐn)?shù)比甲中小，則：2c₁＜3mol/L，ω₁＞ω₂；
乙中混合氣體總質(zhì)量為甲中2倍，容器容積均為1L，密度之比等于氣體質(zhì)量之比，則2ρ₁=ρ₂，
故選：c；
（5）乙容器5min到達(dá)平衡，平衡時氮?dú)鉂舛葹?mol/L，則：
              3H₂（g）+N₂（g）?2NH₃（g）
起始量（mol/L）：6      4       0
變化量（mol/L）：3      1       2
平衡量（mol/L）：3      3       2
故平衡常數(shù)K=$\frac{{c}^{2}（N{H}_{3}）}{{c}^{3}（{H}_{2}）×c（{N}_{2}）}$=$\frac{{2}^{2}}{{3}^{3}×3}$=$\frac{4}{81}$，
故答案為：$\frac{4}{81}$；
Ⅲ．（1）正極發(fā)生還原反應(yīng)，由原電池示意圖可知，氮?dú)庠谡龢O獲得電子，酸性條件下生成NH₄⁺，生成的A為氯化銨，正極電極反應(yīng)式為：N₂+8H⁺+6e^-=2NH₄⁺，故答案為：N₂+8H⁺+6e^-=2NH₄⁺；氯化銨；
（2）①水碳比$\frac{n（{H}_{2}O）}{n（C{O}_{2}）}$越大，與有利于平衡逆向進(jìn)行，平衡時二氧化碳的轉(zhuǎn)化率越小，故曲線Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ對應(yīng)的水碳比最大是：Ⅲ，故答案為：Ⅲ；
②測得B點(diǎn)氨的轉(zhuǎn)化率為40%，二氧化碳轉(zhuǎn)化率為60%，令NH₃、CO₂起始物質(zhì)的量分別為amol、bmol，則反應(yīng)的氨氣為0.4a，反應(yīng)的二氧化碳為0.6b，則0.4a：0.6b=2：1，故a：b=3：1，即氨碳比$\frac{n（N{H}_{3}）}{n（C{O}_{2}）}$的值x₁=3，故答案為：3．

點(diǎn)評 本題考查化學(xué)平衡計(jì)算與影響因素、平衡狀態(tài)判斷、反應(yīng)速率、平衡常數(shù)、反應(yīng)熱計(jì)算等，側(cè)重于學(xué)生的分析能力和計(jì)算能力的考查，難度中等．