Question

2．合成氨N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）是人類科技史上的一項重大突破，解決了地球上因糧食不足而導(dǎo)致的饑餓和死亡問題．
（1）合成氨的原料氣H₂可由CH₄和H₂O（g）在高溫下反應(yīng)獲得（同時產(chǎn)生CO）．已知CH₄、CO、H₂的燃燒熱分別為890.3kJ•mol^-1、283.0kJ•mol^-1、285.8kJ•mol^-1，H₂O的汽化熱為44kJ•mol^-1．寫出由CH₄制取H₂的熱化學(xué)方程式CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g）△H=+206.1kJ/mol
（2）在一定溫度下，合成氨在恒壓密閉容器中達(dá)到平衡的標(biāo)志有ce（填序號）
a．3v_正（H₂）=2v_逆（NH₃）     b用NH₃、N₂、H₂表示反應(yīng)速率比為2：1：3
c．混合氣體的密度不再改變    d．混合氣體壓強(qiáng)不再改變
e．混合氣體平均相對分子質(zhì)量不再改變 f．容器內(nèi)N₂、H₂、NH₃的濃度之比為1：3：2
（3）某實驗室模擬工業(yè)合成氨，在三個不同條件下的密閉容器中分別加入N₂和H₂，起始濃度均為c（N₂）=0.1mol/L，c（H₂）=0.2mol/L，反應(yīng)過程中c（N₂）隨時間的變化如圖1中曲線I、Ⅱ、Ⅲ所示

①該反應(yīng)在實驗I中，從開始達(dá)到平衡時N₂的平均反應(yīng)速率為0.002mol/（L•min），其化學(xué)平衡常數(shù)K的值為208.3．（保留一位小數(shù)）若在恒溫恒壓條件下，向容器中通人氦氣，平衡將不移動 （填“向左移動”“向右移動”“不移動”）；此時，平衡常數(shù)的值將不變（填“變大”“變小”“不變”）
②已知Ⅱ、Ⅲ裝置中各有一個條件與I不同，據(jù)圖所示推測Ⅱ、Ⅲ不同于①的條件分別是加入催化劑；升高溫度
（4）實驗室研究在一定溫度和壓強(qiáng)下合成氨反應(yīng)中H₂和N₂起始物質(zhì)的量之比[n（H₂）/n（N₂）]對合成氨的影響．在恒溫下1L容器中，將總物質(zhì)的量一定的H₂和N₂以不同的氫氮比進(jìn)行反應(yīng)，實驗測得平衡體系中氨氣體積分?jǐn)?shù)的變化如圖2所示．回答下列問題：
M點(diǎn)對應(yīng)的橫坐標(biāo)為3，達(dá)到平衡時，已知N₂的體積分?jǐn)?shù)為15.6%，則M點(diǎn)對應(yīng)的縱坐標(biāo)為37.6．

Answer 1

分析 （1）依據(jù)燃燒熱的熱化學(xué)方程式結(jié)合蓋斯定律計算，寫出熱化學(xué)方程式；
（2）反應(yīng)到達(dá)平衡狀態(tài)時，正逆反應(yīng)速率相等，平衡時各物質(zhì)的濃度、百分含量不變，以及由此衍生的一些量也不發(fā)生變化，由此進(jìn)行判斷；
（3）①由圖可知，20min時到達(dá)平衡，氮?dú)獾臐舛茸兓�量為�?-0.06）mol/L=0.04mol/L，再根據(jù)v=$\frac{△C}{△t}$計算v（N₂）；運(yùn)用化學(xué)平衡常數(shù)計算表達(dá)式計算化學(xué)平衡常數(shù)；通入氦氣無法引起各組分濃度的變化進(jìn)而無法影響平衡移動，化學(xué)平衡常數(shù)只受溫度的影響溫度不變平衡常數(shù)不變；
②與實驗Ⅰ相比，實驗Ⅱ反應(yīng)速率加快，平衡氮?dú)鉂舛炔蛔儯�不能是增大壓�?qiáng)或升高溫度，可能是加入催化劑；而實驗Ⅲ反應(yīng)速率減慢，平衡時氮?dú)獾臐舛仍龃�，正反�?yīng)為體積減小的放熱反應(yīng)，不能是減小壓強(qiáng)，可能是降低升高溫度；
（4）當(dāng)N₂和H₂的物質(zhì)的量之比為1：3時平衡時氨氣的百分含量最大，據(jù)此可以推算出M點(diǎn)的縱坐標(biāo)的數(shù)值．

解答 解：（1）已知：①H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=H₂O（l）△H=-285.8kJ•mol^-1
②CO（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=CO₂（g） ）△H=-283.0kJ•mol^-1
③CH₄（g）+2O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l））△H=-890.3kJ•mol^-1，
④H₂O（g）=H₂O（l）△H=-44.0kJ•mol^-1，
利用蓋斯定律將④+③-②-3×①可得：CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g）
△H=（-44.0kJ•mol^-1）+（-890.3kJ•mol^-1）-（-283.0kJ•mol^-1）-3×（-285.8kJ•mol^-1）=+206.1 kJ•mol^-1，
故答案為：CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g）△H=+206.1kJ/mol；
（2）a.3v_正（H₂）=2v_逆（NH₃）說明正逆反應(yīng)速率不相等，說明反應(yīng)未達(dá)到平衡狀態(tài)，故a錯誤；
 b．不論該可逆反應(yīng)是否達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)，用N₂、H₂、NH₃的物質(zhì)的量濃度變化表示化學(xué)反應(yīng)速率的比一定為1：3：2，無法判斷是否達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)，故b錯誤；
c．該容器的壓強(qiáng)保持不變，根據(jù)質(zhì)量守恒定律知，反應(yīng)前后混合氣體的質(zhì)量不變，所以容器內(nèi)氣體的密度變化，當(dāng)容器中氣體的密度不再發(fā)生變化時，能表明達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)，故c正確；
d．合成氨在恒壓密閉容器中進(jìn)行，壓強(qiáng)始終不變，所以不能表達(dá)該反應(yīng)已經(jīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，故d錯誤；
e．混合氣體平均相對分子質(zhì)量=$\frac{總質(zhì)量}{總物質(zhì)的量}$，反應(yīng)前后質(zhì)量不變，若平均相對分子質(zhì)量不變則氣體總物質(zhì)的量可以說明反應(yīng)已經(jīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，故e正確；
f．濃度之比不能判斷各組分的濃度是否變化，正逆反應(yīng)速率是否相等，無法判斷是否達(dá)到了平衡狀態(tài)，故f錯誤；
故選ce；
（3））①由圖可知，20min時到達(dá)平衡，氮?dú)獾臐舛茸兓�量為�?-0.06）mol/L=0.04mol/L，則v（N₂）=$\frac{0.04mol/l}{20min}$=0.002mol/（L•min），故答案為：0.002mol/（L•min）；化學(xué)平衡常數(shù)K=$\frac{{c}^{2}（NH3）}{c（N2）{c}^{3}（H2）}$=$\frac{{0.08}^{2}}{{0.06×0.08}^{3}}$208.3，故答案為208.3；
②與實驗Ⅰ相比，實驗Ⅱ反應(yīng)速率加快，平衡氮?dú)鉂舛炔蛔�，不能是增大壓�?qiáng)或升高溫度，可能是加入催化劑；而實驗Ⅲ反應(yīng)速率減慢，平衡時氮?dú)獾臐舛仍龃�，正反�?yīng)為體積減小的放熱反應(yīng)，不能是減小壓強(qiáng)，升高溫度反應(yīng)速率加快，平衡逆向移動，可能是升高溫度，
故答案為：加入催化劑；升高溫度；
（4）當(dāng)N₂和H₂的物質(zhì)的量之比為1：3時平衡時氨氣的百分含量最大，所以橫坐標(biāo)數(shù)值為3；
           N₂+3 H₂=2NH₃
起始：a          3a
△：b          3b       2b
平衡：a-b       3a-3b      2b
已知平衡時N₂的體積分?jǐn)?shù)為15.6%，則H₂的體積分?jǐn)?shù)為N₂的3倍為46.8%，可以推得NH₃的分?jǐn)?shù)為1-15.6%-46.8%=37.6%，故答案為：3；37.6．

點(diǎn)評 本題考查了燃燒熱概念和熱化學(xué)方程式的書寫，化學(xué)反應(yīng)速率和平衡常數(shù)的計算，化學(xué)平衡狀態(tài)的判斷，整體有一定的難度．