Question

2．化學反應速率與化學反應限度相關知識在化工生產中應用廣泛．
Ⅰ．一種“人工固氮”的新方法是在常溫、常壓、光照條件下，N₂在催化劑表面與水發(fā)生反應生成NH₃：
N₂（g）+3H₂O（g）?2NH₃（g）+$\frac{3}{2}$O₂（g）△H＞0，進一步研究NH₃生成量與溫度的關系，部分實驗數據見下表（反應時間3 h）：

T/℃	30	40	50
生成 NH3量/（10-6 mol）	4.8	5.9	6.0

請回答下列問題：
（1）50℃時從開始到3h內以O₂物質的量變化表示的平均反應速率為1.5×10^-6mol•h^-1．
（2）與目前廣泛應用的工業(yè)合成氨方法相比，該方法中固氮反應速率較慢．下列措施既可增加反應速率又可以增加NH₃產率的是A（填序號）．
A．升高溫度    B．將NH₃從體系中分離
C．恒容條件下，充入He    D．加入合適的催化劑
（3）工業(yè)合成氨的熱化學方程式為N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H=-92.4 kJ/mol．在某10L恒容的密閉容器中加入2molN₂和4molH₂，達到平衡時放出的熱量為92.4KJ，該條件下的平衡常數為400．下列能判斷該反應一定達到平衡狀態(tài)的是AD（填序號）．
A．容器中氣體的平均相對分子質量不隨時間而變化
B.2v_正（NH₃）═3v_逆（H₂）
C．N₂、H₂、NH₃三種物質的反應速率之比為1：3：2
D．容器中總壓強不隨時間而變化
E．反應的△H不再變化
Ⅱ．高爐煉鐵過程中發(fā)生的主要反應為：$\frac{1}{3}$Fe₂O₃（s）+CO（g）?$\frac{2}{3}$Fe（s）+CO₂（g），已知該反應在不同溫度下的平衡常數如下：

溫度/℃	1000	1150	1300
平衡常數	4.0	3.7	3.5

請回答下列問題：
（1）該反應的△H＜0（填“＞”、“＜”或“=”）；   
（2）在一個容積為10L的密閉容器中，1000℃時加入Fe、Fe₂O₃、CO、CO₂各1.0 mol，反應經過l0 min后達到平衡．求CO的平衡轉化率=60%；欲提高（2）中CO的平衡轉化率，可采取的措施是C（填序號）．
（3）下列措施中能使平衡時$\frac{c（CO）}{c（{CO}_{2}）}$增大的是D（填序號）．
A．減少Fe的量   B．增加Fe₂O₃的量  C．移出部分CO₂   D．提高反應溫度    E．減小容器的體積    F．加入合適的催化劑．

Answer 1

分析 I．（1）由速率單位可知，用單位時間內物質的量變化量表示反應速率，根據v=$\frac{△n}{△t}$計算v（NH₃），再利用速率之比等于化學計量數之比計算v（O₂）；
（2）升高溫度、增大壓強或濃度、使用催化劑等可以加快反應速率，要增加NH₃產率，應改變條件使平衡正向移動；
（3）根據反應放出的熱量計算各組分物質的量變化量，再計算平衡時各組分物質的量濃度，根據K=$\frac{{c}^{2}（N{H}_{3}）}{c（{N}_{2}）×{c}^{3}（{H}_{2}）}$計算平衡常數；
可逆反應到達平衡時，同種物質的正逆速率相等且保持不變，各組分的濃度、含量保持不變，由此衍生的其它一些量不變，判斷平衡的物理量應隨反應進行發(fā)生變化，該物理量由變化到不再變化說明到達平衡；
Ⅱ．（1）由表中數據可知，隨溫度升高平衡常數減小，說明升高溫度平衡逆向移動，則正反應為放熱反應；
（2）設平衡時CO的轉化率為a，表示出平衡時各組分物質的量，反應前后氣體的物質的量不變，用物質的量代替濃度代入平衡常數K=$\frac{c（C{O}_{2}）}{c（CO）}$=4計算；
欲提高（2）中CO的平衡轉化率，應改變條件使平衡正向移動，注意增大CO的濃度，等效為增大壓強，平衡不移動，CO轉化率不變；
（3）$\frac{c（CO）}{c（{CO}_{2}）}$值為$\frac{2}{3}$Fe（s）+CO₂（g）?$\frac{1}{3}$Fe₂O₃（s）+CO（g）的平衡常數，只受溫度影響．

解答 解：I．（1）由速率單位可知，用單位時間內物質的量變化量表示反應速率，50℃時從開始到3h內v（NH₃）=$\frac{6.0×1{0}^{-6}mol}{3h}$=2×10^-6mol/h，速率之比等于化學計量數之比，則v（O₂）=$\frac{3}{4}$v（NH₃）=1.5×10^-6mol/h，
故答案為：1.5×10^-6；
（2）A．升高溫度反應速率加快，正反應為吸熱反應，升高溫度平衡正向移動，NH₃產率增大，故A正確；
B．將NH₃從體系中分離，平衡正向移動，NH₃產率增大，但反應速率減慢，故B錯誤；
C．恒容條件下，充入He，反應混合物各組分濃度不變，反應速率不變、平衡不移動，NH₃產率不變，故C錯誤；
D．加入合適的催化劑，反應速率增大，平衡不移動，NH₃產率不變，故D錯誤，
故選：A；
（3）在某10L恒容的密閉容器中加入2molN₂和4molH₂，達到平衡時放出的熱量為92.4KJ，參加反應的氮氣為1mol，則：
            N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）
起始量（mol）：2       4         0
變化量（mol）：1       3         2
平衡量（mol）：1       1         2
則平衡常數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，
A．混合氣體總質量不變，隨反應進行混合氣體物質的量減小，容器中氣體的平均相對分子質量增大，當平均相對分子質量不隨時間而變化時，說明到達平衡，故A正確；
B．應是3v_正（NH₃）═2v_逆（H₂）時，反應到達平衡，故B錯誤；
C．沒有指明正逆反應速率，N₂、H₂、NH₃三種物質的正反應速率之比始終為1：3：2，故C錯誤；
D．隨反應進行混合氣體物質的量減小，恒溫恒容下壓強減小，容器中總壓強不隨時間而變化，說明反應到達平衡，故D正確；
E．反應的△H與化學計量數等有關，與是否到達平衡無關，故E錯誤，
故選：AD；
Ⅱ．（1）由表中數據可知，隨溫度升高平衡常數減小，說明升高溫度平衡逆向移動，則正反應為放熱反應，則該反應的△H＜0，故答案為：＜；
（2）設平衡時CO的轉化率為a，轉化的CO為a mol，則：
          $\frac{1}{3}$Fe₂O₃（s）+CO（g）?$\frac{2}{3}$Fe（s）+CO₂（g）
起始量（mol）：1                1
變化量（mol）：a                a
平衡量（mol）：1-a               1+a
反應前后氣體的物質的量不變，用物質的量代替濃度計算平衡常數，則K=$\frac{c（C{O}_{2}）}{c（CO）}$=$\frac{1+a}{1-a}$=4，解得a=60%；
欲提高（2）中CO的平衡轉化率，應改變條件使平衡正向移動，注意增大CO的濃度，等效為增大壓強，平衡不移動，CO轉化率不變，
A．減少Fe的量，平衡不移動，CO轉化率不變，故A錯誤；
B．增加Fe₂O₃的量，平衡不移動，CO轉化率不變，故B錯誤；
C．移出部分CO₂，平衡正向，CO轉化率增大，故C正確；
D．正反應為放熱反應，提高反應溫度，平衡逆向移動，CO轉化率減小，故D錯誤；
E．減小容器的體積，壓強增大，平衡不移動，CO轉化率不變，故E錯誤；
F．加入合適的催化劑，縮短到達平衡的時間，不影響平衡移動，CO轉化率不變，故F錯誤，
故答案為：60%；C；
（3）$\frac{c（CO）}{c（{CO}_{2}）}$值為$\frac{2}{3}$Fe（s）+CO₂（g）?$\frac{1}{3}$Fe₂O₃（s）+CO（g）的平衡常數，只受溫度影響，該反應為吸熱反應，升高溫度平衡正向移動，平衡常數增大，
故選：D．

點評 本題考查化學平衡計算與影響因素、平衡狀態(tài)判斷、平衡常數、反應速率等，注意判斷平衡的物理量應隨反應進行發(fā)生變化，該物理量由變化到不再變化說明到達平衡．