Question

国家“十二五规划”明确提出了节能减排的目标，“节能减排”的含义就是节约能源、降低能源消耗、减少污染物排放．合成氨反应放出的热量可用于供暖和发电，是节能的有效措施之一．请你结合学过的知识回答下列问题：
（1）向合成塔中按物质的量之比1：3充入N₂、H₂进行氨的合成，如图为450℃时平衡混合物中氨气的体积分数与压强（p）的关系图．
①写出工业上合成氨的化学方程式：

 

．
②如图中氨气的体积分数为25%时，H₂的转化率为

 

．
③在压强为30MPa下，若将反应体系的温度升高至500℃，则达到平衡时氨气的体积分数

 

35%（填“＞”、“＜”或“=”）．
（2）合成氨所需的氢气可由甲烷与水反应制得，反应的热化学方程式为CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）；△H＞0，一定温度下，在体积为1L的恒容容器中发生上述反应，各物质的物质的量变化如下表：

时间/min	CH4（mol）	H2O（mol）	CO（mol）	H2（mol）
0	0.40	1.00	0	0
5	0.20	0.80	0.20	a
7	0.20	0.80	0.20	a
10	0.21	0.81	0.19	0.64

①上表中a=

 

；前5min内反应的平均反应速v（CH₄）=

 

．
②写出该温度下该反应的平衡常数表达式并计算出结果

 

．
③反应在7～10min内，CO的物质的量减少的原因可能是

 

（填字母）．
A．减少CH₄的物质的量              B．降低温度
C．升高温度                        D．充入H₂．

Answer 1

考点：化学平衡的计算,反应速率的定量表示方法,化学平衡的影响因素

专题：化学平衡专题

分析：（1）①工业合成氨是氮气和氢气在高温高压催化剂作用生成氨气；
②根据三段法计算来确定物质的转化率；
③合成氨反应是放热反应，依据平衡移动原理分析判断，氨气的含量变化；
（2）①图表分析可知，反应进行到5min，7min，各物质的物质的量不变，说明达到平衡，生成的一氧化碳和氢气物质的量相同；依据化学反应速率概念计算得到甲烷的反应速率；
②依据化学三段式列式计算转化率；
③合成氨是放热反应升高温度平衡逆向进行，平衡常数减小，转化率减小；
（2）①依据图表数据分析，5-7min，物质的浓度不变，所以都是平衡状态，根据反应定量关系计算得到a；依据5min甲烷的浓度变化计算反应速率；
②平衡常数概念是用生成物平衡浓度的幂次方乘积除以反应物平衡浓度的幂次方乘积；
③分析图表数据可知反应物增多，氢气增多，一氧化碳减少，说明平衡逆向进行，是加入氢气引起的平衡移动．

解答： 解：（1）①工业合成氨是氮气和氢气在高温高压催化剂作用生成氨气，反应的化学方程式为：N₂+3H₂

催化剂

高温高压

2NH₃，
故答案为：N₂+3H₂

催化剂

高温高压

2NH₃；
②设N₂的转化率为x，氮气物质的量无1mol，氢气物质的量为3mol
            N₂ +3H₂

催化剂

高温高压

2NH₃
初始（mol）：1    3           0
变化（mol）：x    3x          2x
平衡（mol）：1-x  3-3x        2x
氨气的体积分数为25.0%时，则

2x

4-2x

×100%=25%
解得x=0.4，所以氢气的转化率=

3×0.4mol

3mol

×100%=40%，
故答案为：40%；
③对于反应 N₂+3H₂

催化剂

高温高压

2NH₃，△H＜0，当温度升高时，化学平衡向吸热反应方向移动，即逆反应移动，所以氨气的体积分数减少，小于35%，
故答案为：＜；
（2）①图表分析可知，反应进行到5min，7min，各物质的物质的量不变，说明达到平衡，生成的一氧化碳和氢气物质的量相同，所以a=0.2mol；5min甲烷消耗物质的量0.2mol，反应速率=

0.2mol 1L

5min

=0.04mol/L?min，
故答案为：0.2mol；0.04mol/L?min；
②反应CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）；平衡常数K=

c(CO)c(H2)

c(CH4)c(H2O)

，
故答案为：

c(CO)c(H2)

c(CH4)c(H2O)

；
③分析图表数据可知反应物增多，氢气增多，一氧化碳减少，说明平衡逆向进行，是加入氢气引起的平衡移动；
A．减少CH₄的物质的量，平衡逆向进行氢气和一氧化碳都减少，故A不符合；
B．反应是吸热反应，降低温度，平衡正向进行，甲烷和水蒸气增多，一氧化碳和氢气减小，故B不符合；
C．升高温度，平衡正向进行，甲烷和水蒸气减少，故C不符合；
D．充入H₂，平衡逆向进行甲烷和水蒸气增多，一氧化碳减少，平衡后氢气增多，故D符合；
故选：D．

点评：本题考查了化学平衡移动原理分析判断，反应速率、平衡常数的计算，平衡影响因素的分析应用，题目难度中等．