Question

18．化學反應原理是工業(yè)合成氨的重要理論基礎．
（1）合成氨反應：N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H=-92.4kJ•mol^-1，若在恒溫、恒壓條件下向平衡體系中通入氬氣，平衡向左移動（填“向左”、“向右”或“不”）；使用催化劑該反應的△H不變（填“增大”、“減小”或“不變”）．
（2）在溫度、容積相同的3個密閉容器中，按不同方式投入反應物，保持恒溫、恒容，測得反應達到平衡時的有關數據如表：

容器	甲	乙	丙
反應物投入量	1mol N2、3mol H2	2mol NH3	4mol NH3
平衡時NH3的濃度（mol•L-1）	cl	c2	c3
反應的能量變化	放出a kJ	吸收bkJ	吸收c kj
體系壓強（pa）	p1	p2	p3
反應物轉化率	a1	a2	a3

下列說法正確的是BD（填字母編號）．
A.2c₁＞c₃    B．a+b=92.4      C.2p₂＜p₃      D．a₁+a₃＜1
（3）合成氨在等容條件下進行．改變其他反應條件，在I、II、III階段體系中各物質濃度隨時間變化的曲線如圖1所示：

①N₂的平均反應速率v_I（N₂）、v_II（N₂）、v_III（N₂）從大到小排列次序為v_I（N₂）＞v_II（N₂）＞v_III（N₂）．
②由第一次平衡到第二次平衡，平衡移動的方向是正向移動，采取的措施是降低了生成物濃度或分離出NH₃．
③比較第II階段反應溫度（T₂）和第III階段反應溫度（T₃）的高低：T₂＞T₃（填“＞”、“=”或“＜”），判斷的理由是此反應為放熱反應，降低溫度，平衡向正反應方向移動，平衡的移動只能減弱改變，不能抵消改變．
（4）將0.1mol N₂和0.3mol H₂通入一容積可變的容器中進行工業(yè)固氮反應．
①若300℃、壓強P₂時達到平衡，容器容積恰為10L，則此狀態(tài)下反應的平衡常數K=22.6（mol•L^-1）^-2（計算結果保留3位有效數字）．
②合成氨反應達到平衡后，t₁時刻速率發(fā)生如圖B變化，此刻可能改變的反應條件是加壓或縮小容器體積或增大反應物濃度（回答一種）．

Answer 1

分析 （1）恒溫、恒壓條件下向平衡體系中通入氬氣，體積增大，壓強減小平衡想氣體體積增大的方向進行，催化劑不改變化學平衡和反應熱；
（2）甲容器反應物投入1molN₂、3molH₂，乙容器反應物投入量2molNH₃，恒溫且乙容器容積和甲容器相同，則甲容器與乙容器是等效平衡；
甲容器反應物投入1molN₂、3molH₂，丙容器反應物投入量4molNH₃，采用極限轉化法轉化為反應物為2molN₂、6molH₂，是甲中的二倍，如果恒溫且丙容器容積是甲容器2倍，則甲容器與丙容器也是等效平衡；所以丙所到達的平衡，可以看作在恒溫且容積是甲容器兩倍條件下，到達平衡后，再壓縮體積為與甲容器體積相等所到達的平衡，以此解答該題；
（3）①根據化學反應速率為單位時間濃度的變化值，可計算三個階段用N₂表示的化學反應速率，據此判斷；
②第Ⅱ階段NH₃是從0開始的，瞬間氮氣、氫氣的濃度不變，因此可以確定第一次平衡后從體系中移出了NH₃；
③第Ⅲ階段的開始與第Ⅱ階段的平衡各物質的量均相等，根據N₂、H₂的量減少，NH₃的量增加可判斷平衡是正向移動的，根據平衡開始時濃度確定此平衡移動不可能是由濃度的變化引起的，另外題目所給條件容器的體積不變，則改變壓強也不可能，因此一定為溫度的影響，此反應正向為放熱反應，可以推測為降低溫度，另外結合N₂的速率在三個階段的情況，確定改變的條件一定為降低溫度，根據勒夏特列原理，平衡的移動只能減弱改變，不能抵消改變，因此達到平衡后溫度一定比第Ⅱ階段平衡時的溫度低；
（4）①若300℃、壓強P₂時達到平衡，容器容積恰為10L，氮氣平衡轉化率10%，結合三行計算得到平衡濃度，平衡常數等于平衡時生成物濃度冪之積比上反應物濃度冪之積，代入進行計算；
②由可知正反應速率瞬間增大，然后減小，說明平衡正向進行，改變的是反應物的濃度，或縮小體積增大壓強．

解答 解：（1）合成氨反應：N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H=-92.4kJ•mol^-1，若在恒溫、恒壓條件下向平衡體系中通入氬氣，體積增大，壓強減小平衡想氣體體積增大的方向進行，平衡向左移動，使用催化劑不改變化學平衡，不改變反應熱，該反應的△H不變，
故答案為：向左；不變；
（2）A．甲容器內的平衡與乙容器內平衡是等效平衡，所以平衡時NH₃的濃度相等，即c₁=c₂，丙容器反應物投入量4molNH₃，是乙的二倍，相當于增大壓強，平衡正移，所以丙中氨氣的濃度大于乙中氨氣濃度的二倍，即c₃＞2c₂，所以c₃＞2c₁，故A錯誤；
B．甲投入1molN₂、3molH₂，乙中投入2molNH₃，則甲與乙是完全等效的，根據蓋斯定律可知，甲與乙的反應的能量變化之和為92.4kJ，故a+b=92.4，故B正確；
C．丙容器反應物投入量4molNH₃，是乙的二倍，若平衡不移動，丙中壓強為乙的二倍；由于丙中相當于增大壓強，平衡向著向著正向移動，所以丙中壓強減小，小于乙的2倍，即2p₂＞p₃，故C錯誤；
D．丙容器反應物投入量4molNH₃，是乙的二倍，若平衡不移動，轉化率α₁+α₃=1；由于丙中相當于增大壓強，平衡向著向著正向移動，氨氣的轉化率減小，所以轉化率α₁+α₃＜1，故D正確；
故答案為：BD；
（3）①v_Ⅰ（N₂）=$\frac{1mol/L}{20min}$=0.05mol/（L•min），
v_Ⅱ（N₂）=$\frac{1mol/L-0.62mol/L}{15min}$=0.0253mol/（L•min），
v_Ⅲ（N₂）=$\frac{0.62mol/L-0.5mol/L}{10min}$=0.012mol/（L•min），
故N₂的平均反應速率v_Ⅰ（N₂）＞v_Ⅱ（N₂）＞v_Ⅲ（N₂），
故答案為：v_I（N₂）＞v_II（N₂）＞v_III（N₂）；
②第Ⅱ階段C是從0開始的，瞬間N₂、H₂濃度不變，因此可以確定第一次平衡后從體系中移出了NH₃，即減少生成物濃度，平衡正向移動，
故答案為：正向移動；降低了生成物濃度或分離出NH₃；
③第Ⅲ階段的開始與第Ⅱ階段的平衡各物質的量均相等，根據N₂、H₂的量減少，NH₃的量增加可判斷平衡是正向移動的，根據平衡開始時濃度確定此平衡移動不可能是由濃度的變化引起的，另外題目所給條件容器的體積不變，則改變壓強也不可能，因此一定為溫度的影響，此反應正向為放熱反應，可以推測為降低溫度，另外結合N₂的速率在三個階段的情況，確定改變的條件一定為降低溫度，根據勒夏特列原理，平衡的移動只能減弱改變，不能抵消改變，因此達到平衡后溫度一定比第Ⅱ階段平衡時的溫度低，
故答案為：＞；此反應為放熱反應，降低溫度，平衡向正反應方向移動，平衡的移動只能減弱改變，不能抵消改變；
（4）①若300℃、壓強P₂時達到平衡，容器容積恰為10L，氮氣平衡轉化率10%
             N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）
c（初） 0.010.03            0     
c（變）  0.001       0.003        0.002
c（平） 0.009       0.027         0.002
K=$\frac{0.0{02}^{2}}{0.009×0.02{7}^{3}}$（mol•L^-1）^-2=22.6 （mol•L^-1）^-2
故答案為：22.6 （mol•L^-1）^-2；
 ②由可知正反應速率瞬間增大，然后減小，說明平衡正向進行，改變的是反應物的濃度或縮小體積增大壓強，此刻可能改變的反應條件是加壓或縮小容器體積或增大反應物濃 度都可，
故答案為：加壓或縮小容器體積或增大反應物濃度．

點評 本題考查平衡常數的應用、合成氨反應的條件選擇、化學平衡影響因素、等效平衡、化學平衡的計算，為高頻考點，題目計算量較大，題目難度較大，關鍵是構建平衡建立的等效途徑，試題側重對學生靈活運用基礎知識解決實際問題的能力的培養(yǎng)，注意把握K與溫度的關系以及影響化學平衡的因素．