Question

8．氨的合成是最重要的化工生產(chǎn)之一．
Ⅰ．工業(yè)上合成氨用的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用天然氣跟水蒸氣反應(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，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行反應(yīng)：3H₂（g）+N₂（g） $?_{催化劑}^{高溫、高壓}$2NH₃（g），按不同方式投入反應(yīng)物，保持恒溫、恒容，反應(yīng)達到平衡時有關(guān)數(shù)據(jù)為：

容 器	甲	乙	丙
反應(yīng)物投入量	3mol H2、2mol N2	6mol H2、4mol N2	2mol NH3
達到平衡的時間（min）	t	5	8
平衡時N2的濃度（mol•L-1）	c1	3
N2的體積分數(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)已達到平衡狀態(tài)的是
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)壓強保持不變                         d．混合氣體的密度保持不變
（2）甲容器中達到平衡所需要的時間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^-1•min^-1（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=$\frac{4}{81}$（用分數(shù)表示）（mol/L）^-2．
（6）常溫下NH₄⁺（aq）+H₂O（l）?NH₃•H₂O（aq）+H⁺（aq）的化學平衡常數(shù)為5.55×10^-10 mol•L^-1，則NH₃•H₂O的電離平衡常數(shù)K=1.80×10^-5mol•L^-1（保留三位有效數(shù)字）．已知草酸的電離常數(shù)為：Ka₁=5.9×10^-2  Ka₂=6.4×10^-5，則草酸氫銨的水溶液中離子濃度由大到小的順序是：c（NH₄⁺）＞c（HC₂O₄^-）＞c（H⁺）＞c（C₂O₄^2-）＞c（OH^-）．
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+6e^-+8H⁺=2NH₄⁺，A是NH₄Cl．

（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)的水碳比最大的是Ⅲ．
②測得B點氨的轉(zhuǎn)化率為40%，則x₁3．

Answer 1

分析 Ⅰ．分別根據(jù)圖1、圖2、圖3寫出熱化學方程式，然后根據(jù)蓋斯定律來解答；
Ⅱ．（1）達到平衡狀態(tài)時，正逆反應(yīng)速率相等，各物質(zhì)的濃度不變，以此判斷．
（2）甲容器比乙容器中反應(yīng)物的濃度小，反應(yīng)速率比乙中小，故達到平衡所需要的時間更長；
（3）先計算出用氮氣表示的反應(yīng)速率，然后利用化學計量數(shù)關(guān)系計算出用氫氣表示的反應(yīng)速率；
（4）先將丙中的數(shù)據(jù)按照化學計量數(shù)轉(zhuǎn)化成反應(yīng)物氮氣、氫氣的物質(zhì)的量，然后利用等效平衡知識進行分析；
（5）計算出反應(yīng)前氮氣、氫氣的物質(zhì)的量濃度，然后利用化學平衡三段式計算出達到平衡時各組分的濃度，最后根據(jù)化學平衡常數(shù)表達式計算出該溫度下的平衡常數(shù)；
（6）根據(jù)平衡常數(shù)和水的離子積常數(shù)綜合求解，比較兩種離子對應(yīng)的弱電解質(zhì)的電離度的大小確定溶液的酸堿性；
Ⅲ．（1）電池正極發(fā)生還原反應(yīng)，A是生成的氯化銨；
（2）①依據(jù)反應(yīng)轉(zhuǎn)化率的大小分析，結(jié)合圖象分析判斷；
②根據(jù)氨氣和二氧化碳的轉(zhuǎn)化率之比求出x₁．

解答 解：Ⅰ．圖1、圖2、圖3寫出熱化學方程式分別為：
①CO（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═CO₂（g）△H=-akJ•mol^-1
②H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═H₂O（g）△H=-bkJ•mol^-1
③CH₄（g）+2O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-ckJ•mol^-1，
由③-（①+②×3）得：CH₄（g）+H₂O（g）═CO（g）+3H₂（g）△H=（a+3b-c）kJ•mol^-1，
故答案為：a+3b-c；
Ⅱ．（1）a．容器內(nèi)N₂、H₂、NH₃的濃度之比為1：3：2，不能說明達到判斷狀態(tài)，取決于起始配料比和轉(zhuǎn)化程度，故a錯誤；
b．當3v（N₂）_正=v（H₂）_逆時，才說明達到平衡狀態(tài)，故b錯誤；
c．容器內(nèi)壓強保持不變，可說明達到平衡狀態(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，不能達到平衡狀態(tài)，故d錯誤．
故答案為：c；
（2）若為恒壓容器，甲乙容器中達到平衡所用時間相同，為5min，但是容器恒容，甲容器比乙容器中反應(yīng)物的濃度小，反應(yīng)速率比乙中小，故達到平衡所需要的時間更長，即t＞5min，故答案為：＞；
（3）容器乙中，反應(yīng)前氮氣的濃度為：$\frac{4mol}{1L}$=4mol/L，氮氣的平均反應(yīng)速率為：v（N₂）=$\frac{4mol/L-3mol/L}{5min}$=0.2mol•L^-1•min^-1，
故答案為：0.2 mol•L^-1•min^-1；
（4）恒溫、恒容條件下：
a．假設(shè)乙容器的容積為2L，則達到平衡時甲乙為等效平衡，各組分的含量、濃度相等，此時氮氣的濃度為c₁，然后將容器的容積縮小到2L，若平衡不移動，2c₁=3mol/L，由于壓強增大，平衡向著正向移動，所以2c₁＞3mol/L，故a錯誤；    
b．乙中加入了4mol氮氣、6mol氫氣，而甲中為3mol H₂、2mol N₂，故乙對甲來說相當于加壓，平衡右移，氮氣的體積分數(shù)減小，所以ω₂＜ω₁，故b錯誤；
c．反應(yīng)前后都是氣體，容器的容積都是2L，乙中混合氣體的質(zhì)量為甲的2倍，根據(jù)ρ=$\frac{m}{V}$可知：2ρ₁=ρ₂，故c正確；
故選c，
故答案為：c；
（5）乙容器中，反應(yīng)前氫氣濃度為：c（H₂）=$\frac{6mol}{1L}$=4mol/L，氮氣的濃度為：$\frac{4mol}{1L}$=4mol/L，達到平衡時氮氣的濃度變化為：（4-3）=1mol/L，
    由三段式可知：3H₂ （g）+N₂（g）?2NH₃（g）
反應(yīng)前（mol/L）：6             4             0
濃度變化（mol/L）：3           1            2
反應(yīng)后：（mol/L）：3           3           2
在該溫度下乙容器中反應(yīng)的平衡常數(shù)K=$\frac{{2}^{2}}{{3}^{3}×3}$=$\frac{4}{81}$，
故答案為：$\frac{4}{81}$；
（6）NH₄⁺（aq）+H₂O（l）?NH₃•H₂O（aq）+H⁺（aq）平衡常數(shù)的表達式為：K=$\frac{c（{H}^{+}）×c（N{H}_{3}•{H}_{2}O）}{c（N{{H}_{4}}^{+}）}$=$\frac{c（{H}^{+}）×c（N{H}_{3}•{H}_{2}O）}{c（N{{H}_{4}}^{+}）}$×$\frac{c（O{H}^{-}）}{c（O{H}^{-}）}$=$\frac{Kw}{Kb}$=5.55×10^-10mol•L^-1，所以Kb=1.80×10^-5mol•L^-1，因為Ka₁=5.9×10^-2＞Kb，所以草酸氫銨的水溶液中，呈酸性，所以離子濃度的大小順序為：c（NH₄⁺）＞c（HC₂O₄^-）＞c（H⁺）＞c（C₂O₄^2-）＞c（OH^-），
故答案為：1.80×10^-5mol•L^-1；c（NH₄⁺）＞c（HC₂O₄^-）＞c（H⁺）＞c（C₂O₄^2-）＞c（OH^-）；  
Ⅲ．（1）電池正極發(fā)生還原反應(yīng)，氮氣得電子發(fā)生還原反應(yīng)，N₂+8H⁺+6e^-=2NH₄⁺，A是銨根離子與氯離子結(jié)合形成氯化銨，
故答案為：N₂+8H⁺+6e^-=2NH₄⁺；氯化銨；
（2）①氨碳比相同時曲線Ⅰ二氧化碳的轉(zhuǎn)化率大，所以生產(chǎn)中選用水碳比的數(shù)值為Ⅲ，故答案為：Ⅲ；
②由題意可知：2NH₃（g）+CO₂（g）?CO（NH₂）₂+H₂O（g）
起始量            x₁               1
變化量             2a            a
$\frac{{x}_{1}}{2a}$=$\frac{1}{a}$=40%，
則x₁=3，
故答案為：3．

點評 本題考查較為綜合，涉及化學反應(yīng)與能量、化學平衡的影響因素、化學平衡、速率的計算等，側(cè)重于學生的分析能力和計算能力的考查，為高考常見題型和高頻考點，注意利用三段式法計算，較為直觀，題目難度中等．