Question

8．合成氨反应N₂（g）+3H₂（g）$?_{催化剂}^{高温高压}$ 2NH₃（g）△H＜0 具有重要的意义．
（1）①该反应的化学平衡常数表达式是K=$\frac{[NH{\;}_{3}]^{2}}{[N{\;}_{2}][H{\;}_{2}]{\;}^{3}}$．
②该反应的化学平衡常数K与温度T的关系如下表所示：

T/K	473	573	673	…
K	4.4×10-2	K1	K2	…

其中，K₁＞ K₂（填“＞”、“=”或“＜”）．
③理论上，为了增大平衡时H₂的转化率，可采取的措施是a、d．（填序号）
a．增大压强              b．使用合适的催化剂
c．升高温度              d．及时分离出产物中的NH₃
（2）原料气H₂可通过反应 CH₄（g）+H₂O （g）═CO（g）+3H₂（g） 获取，已知该反应中，当初始混合气中的 $\frac{n（{H}_{2}O）}{n（C{H}_{4}）}$恒定时，温度、压强对平衡混合气CH₄含量的影响如图所示：
①图中，两条曲线表示压强的关系是：P₁＜P₂（填“＞”、“=”或“＜”）．
②该反应为吸热反应（填“吸热”或“放热”）．
（3）原料气H₂还可通过反应CO（g）+H₂O（g）═CO₂ （g）+H₂（g） 获取．
①T℃时，向容积固定为5L的容器中充入1mol水蒸气和1mol CO，反应达平衡后，测得CO的浓度为0.08mol•L^-1，则平衡时CO的转化率为60%，该温度下反应的平衡常数K值为2.25．
②保持温度仍为T℃，改变水蒸气和CO的初始物质的量之比，充入容器进行反应，下列描述能够说明体系处于平衡状态的是cd（填序号）．
a．容器内压强不随时间改变
b．混合气体的密度不随时间改变
c．单位时间内生成a mol CO₂的同时消耗a mol H₂
d．混合气中n （CO）：n （H₂O）：n （CO₂）：n （H₂）=1：16：6：6．

Answer 1

分析 （1）①根据化学平衡常数=$\frac{生成物平衡浓度系数次方的乘积}{反应物平衡浓度系数次方的乘积}$书写表达式；
②根据温度对平衡常数的影响，对于放热反应，温度越高，K越小；
③反应N₂（g）+3H₂（g）$?_{催化剂}^{高温高压}$ 2NH₃（g）△H＜0 是气体体积减小的放热反应，所以理论上，为了增大平衡时H₂的转化率，可采取加压、降温、降低产物浓度等方法，催化剂对转化率没有影响；
（2）①正反应为气体物质的量增大的反应，增大压强平衡逆向移动，混合气体中甲烷的含量增大；
②由图可知，随温度升高甲烷的含量减小，说明升高温度平衡正向移动，而升高温度平衡向吸热反应移动；
（3）①T℃时，向容积固定为5L的容器中充入1mol水蒸气和1mol CO，反应达平衡后，测得CO的浓度为0.08mol•L^-1，则：
               CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂ （g）
起始浓度（mol/L）：0.2    0.2      0        0
变化浓度（mol/L）：0.12   0.12     0.12     0.12
平衡浓度（mol/L）：0.08   0.08     0.12     0.12
平衡时CO的转化率=$\frac{CO浓度变化量}{CO起始浓度}$×100%；平衡常数K=$\frac{c（CO{\;}_{2}）×c（H{\;}_{2}）}{c（CO）×c（H{\;}_{2}O）}$；
②可逆反应到达平衡时，同种物质的正逆速率相等，各组分的浓度、含量保持不变，由此衍生的其它一些量不变，判断平衡的物理量应随反应进行发生变化，该物理量由变化到不变化说明到达平衡，D选项计算浓度商Qc，若Qc=K，处于平衡状态，若Qc＜K，反应向正反应进行，若Qc＞K，反应向逆反应进行．

解答 解：（1）①根据化学平衡常数=$\frac{生成物平衡浓度系数次方的乘积}{反应物平衡浓度系数次方的乘积}$可知，该反应的平衡常数K=$\frac{[NH{\;}_{3}]^{2}}{[N{\;}_{2}][H{\;}_{2}]{\;}^{3}}$，
故答案为：$\frac{[NH{\;}_{3}]^{2}}{[N{\;}_{2}][H{\;}_{2}]{\;}^{3}}$；
②合成氨反应N₂（g）+3H₂（g）2NH₃（g）△H＜0，对于放热反应，温度越高，K越小，所以K₁＞K₂，
故答案为：＞．
③反应N₂（g）+3H₂（g）$?_{催化剂}^{高温高压}$ 2NH₃（g）△H＜0 是气体体积减小的放热反应，所以理论上，为了增大平衡时H₂的转化率，可采取加压、降温、降低产物浓度等方法，催化剂对转化率没有影响，故选a、d；
（2）①正反应为气体物质的量增大的反应，增大压强平衡逆向移动，混合气体中甲烷的含量增大，所以P₂＞P₁，
故答案为：＜；
②由图可知，随温度升高甲烷的含量减小，说明升高温度平衡正向移动，而升高温度平衡向吸热反应移动，故正反应为吸热反应，
故答案为：吸热；
（3）①T℃时，向容积固定为5L的容器中充入1mol水蒸气和1mol CO，反应达平衡后，测得CO的浓度为0.08mol•L^-1，则：
               CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂ （g）
起始浓度（mol/L）：0.2    0.2     0        0
变化浓度（mol/L）：0.12   0.12    0.12     0.12
平衡浓度（mol/L）：0.08   0.08    0.12     0.12
平衡时CO的转化率=$\frac{0.12mol}{0.2mol}$×100%=60%；平衡常数K=$\frac{c（CO{\;}_{2}）×c（H{\;}_{2}）}{c（CO）×c（H{\;}_{2}O）}$=$\frac{0.12×0.12}{0.08×0.08}$=2.25，
故答案为：60%；2.25；
②a．反应中混合气体物质的量不变，容器内压强不随时间改变，不能说明反应达到平衡状态，故a不符合；
b．混合气体质量不变，容器容积不变，混合气体的密度不随时间改变，不能说明反应达到平衡状态，故b不符合；
c．单位时间内生成amolCO₂的同时消耗amolH₂，说明二氧化碳或氢气的正逆反应速率相同，说明反应达到平衡状态，故c符合；
d．混合气中n（CO）：n（H₂O）：n（CO₂）：n（H₂）=1：16：6：6，反应前后气体物质的量相同，可以利用物质的量代替浓度计算浓度商和平衡常数比较，Qc=$\frac{6×6}{1×16}$=2.25=K，说明反应达到平衡状态，故d符合，
故答案为：cd．

点评 本题考查化学平衡计算与影响因素、平衡状态的判断、平衡常数计算及应用等，难度中等，（3）中平衡状态判断d选项中注意利用浓度商与平衡常数关系分析．