Question

運用化學(xué)反應(yīng)原理研究碳、氮等元素的單質(zhì)及其化合物的反應(yīng)有重要意義．
（1）如圖1表示金剛石、石墨在相關(guān)反應(yīng)過程中的能量變化關(guān)系．寫出石墨轉(zhuǎn)化為金剛石的熱化學(xué)方程式

 

．

（2）CO與H₂可在一定條件下反應(yīng)生成燃料甲醇：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H＜0
將2molCO和4molH₂置于一體積不變的1L密閉容器中，測定不同條件、不同時間段內(nèi)CO的轉(zhuǎn)化率，得到下表數(shù)據(jù)．

時間 \CO轉(zhuǎn)化率 \溫度	1小時	2小時	3小時	4小時
T1	30%	50%	80%	80%
T2	35%	60%	a1	a2

則溫度為T₁時該反應(yīng)的平衡常數(shù)為

 

．
a₁、a₂、80%三者的大小關(guān)系為

 

．（選填“＞”“＜”“=”無法比較”）根據(jù)溫度為T₁時的數(shù)據(jù)作出的下列判斷中正確的是

 

．
A．反應(yīng)在2小時的時候混合氣體的密度和相對分子質(zhì)量均比l小時的大B．反應(yīng)在3小時的時候，v_正（H₂）=2v_逆（CH₃0H）
C．若其他條件不變，再充入6molH2，則最多可得到64g CH₃OH
D．其他條件不變，若最初加入的H₂為2.4mol，則達(dá)平衡時CO的轉(zhuǎn)化率為50%
（3）工業(yè)中常用以下反應(yīng)合成氨：N₂+3H₂?2NH₃△H＜0．在三個不同條件的密閉容 器中，分別加入濃度均為c（N₂）=0.10mol/L，c（H₂）=0.30mol/L進(jìn)行反應(yīng)時，N₂的濃度隨時間的變化如圖2中的①、②、③曲線所示．
計算③中產(chǎn)物NH₃在0-10min的平均反應(yīng)速率

 

②相對于①條件不同，指出②的條件是

 

，理由是

 

．

Answer 1

分析：（1）依據(jù)物質(zhì)能量越高，越活潑分析判斷，依據(jù)圖象能量變化寫出石墨轉(zhuǎn)化為金剛石的熱化學(xué)方程式，反應(yīng)是吸熱反應(yīng)； 
（2）化學(xué)平衡常數(shù)，是指在一定溫度下，可逆反應(yīng)達(dá)到平衡時各生成物濃度的化學(xué)計量數(shù)次冪的乘積除以各反應(yīng)物濃度的化學(xué)計量數(shù)次冪的乘積所得的比值，據(jù)此書寫；根據(jù)T₁和T₂同時間段內(nèi)CO的轉(zhuǎn)化率可知T₂反應(yīng)溫度高；溫度為T₁時A．混合氣體的密度不變；B．反應(yīng)在3小時的時候，已達(dá)平衡；C．該反應(yīng)為可逆反應(yīng)，CO不可能全部轉(zhuǎn)化；D．根據(jù)同一溫度平衡常數(shù)不變，進(jìn)行解答；
（3）根據(jù)化學(xué)反應(yīng)速率的計算公式進(jìn)行解答；②到達(dá)平衡的時間比①短，到達(dá)平衡時N₂的濃度與①相同，化學(xué)平衡不移動；

解答：解：（1）根據(jù)圖象分析金剛石能量高于石墨，能量越低越穩(wěn)定，所以說明石墨穩(wěn)定，根據(jù)圖象石墨轉(zhuǎn)化為金剛石需要吸收熱量=395.4KJ-393.5KJ=1.9KJ；所以反應(yīng)的熱化學(xué)方程式為C（石墨，s）═C（金剛石，s）△H=+1.9 kJ?mol^-1
故答案為：C（石墨，s）═C（金剛石，s）△H=+1.9 kJ?mol^-1；
（2）2molCO和4molH₂置于一體積不變的1L密閉容器中，溫度為T₁時CO的轉(zhuǎn)化率為80%，轉(zhuǎn)化1.6mol/L，
    CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H＜0
開始2mol/L      4mol/L            0
轉(zhuǎn)化1.6mol/L    3.2mol/L       1.6mol/L
平衡0.4mol/L    0.8mol/L       1.6mol/L
則化學(xué)平衡常數(shù)K=

1.6mol/L

(0.8mol/L)2×0.4mol/L

=6.25L²/mol²；
根據(jù)T₁和T₂同時間段內(nèi)CO的轉(zhuǎn)化率可知T₂反應(yīng)溫度高，CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H＜0，正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，所以T₂相當(dāng)于T₁達(dá)到平衡時加熱，平衡向逆反應(yīng)方向移動，達(dá)平衡時，CO的轉(zhuǎn)化率較T₁時低，a₁=a₂、表示已達(dá)平衡，所以a₁═a₂＜80%；
A．該反應(yīng)體積固定，1L密閉容器，反應(yīng) CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）反應(yīng)物和產(chǎn)物都是氣體，所以在2小時的時候混合氣體的密度和l小時的一樣大，由于正反應(yīng)是物質(zhì)的量減少的反應(yīng)，所以反應(yīng)在2小時的時候混合氣體的相對分子質(zhì)量均比l小時的大，故A錯誤；
B．反應(yīng)在3小時的時候，CO的轉(zhuǎn)化率為80%，已達(dá)平衡，v_正（H₂）說明反應(yīng)正向進(jìn)行，v_逆（CH₃0H）說明反應(yīng)逆向進(jìn)行，v_正（H₂）=2v_逆（CH₃0H），表示該反應(yīng)達(dá)平衡，故B正確；
C．該反應(yīng)為可逆反應(yīng)，若其他條件不變，再充入6molH₂，2molCO無法全部轉(zhuǎn)化，所以得到 CH₃OH小于64g，故C錯誤；
D．其他條件不變，若最初加入的H₂為2.4mol，根據(jù)溫度不變，平衡常數(shù)不變，設(shè)達(dá)平衡時CO的轉(zhuǎn)化率為X，
     CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H＜0
開始 2mol/L      2.4mol/L            0
轉(zhuǎn)化 2Xmol/L     4Xmol/L          2Xmol/L
平衡 （2-2X）mol/L    （2.4-4X）mol/L       2Xmol/L

2Xmol/L

[(2-2X)mol/L]×[(2.4-4X)mol/L]2

=6.25L²/mol²，X=0.5，故D正確；
故答案為：6.25L²/mol²；a₁═a₂＜80%；BD；
（3）由圖2可知，反應(yīng)中N₂在0-10min的濃度變化為0.1mol/L-0.08mol/L=0.02mol/L，10min時達(dá)到平衡，根據(jù)N₂+3H₂?2NH₃可知：氨氣的濃度變化為：0.04mol/L；則用NH₃表示的化學(xué)反應(yīng)速率為V=

△C(NH3)

t

=

0.04mol/L

10min

=0.0040 mol?L^-1?min^-1；
②到達(dá)平衡的時間比①短，到達(dá)平衡時N₂的濃度與①相同，化學(xué)平衡不移動，因為加入催化劑能縮短達(dá)到平衡的時間，但化學(xué)平衡不移動，故②與①相比加了催化劑，
故答案為：0.0040 mol?L^-1?min^-1；加入催化劑；裝置②到達(dá)平衡的時間縮短，且②中到達(dá)平衡時氮氣濃度與①相同；

點評：本題主要以CO與H₂在一定條件下反應(yīng)生成燃料甲醇為載體，重點考查了化學(xué)平衡常數(shù)、影響因素及有關(guān)計算、平衡的判斷等，注意計算平衡常數(shù)時表達(dá)式中的濃度為平衡濃度，不是任意時刻的濃度，題目難度較大．