Question

15．氨是化肥工业和基本有机化工的主要原料，合成氨工业因此成为基本无机化工之一．回答下列问题：
（1）如何获得廉价的氢气是合成氨工业中的重要课题，目前常用戊烷跟水蒸气反应的方法  获得氢气：
C₅H₁₂（g）+5H₂O（g） $\frac{\underline{\;催化剂\;}}{高温}$5CO（g）+11H₂（g）
已知几个反应的能量变化如图所示，则上述反应的△H=c-5a-11bkJ•mol^-1
 （2）合成氨的反应原理为：
3H₂（g）+N₂（g） $?_{催化剂}^{高温高压}$2NH₃（g）
现有甲、乙、丙3个固定容积为2L的密闭容器，在相同温度和催化剂条件下，按不同的反应物投入量进行合成氨反应，相关数据如下表所示：

容器	甲	乙	丙
反应物投入量	2mol　H2、2molN2	4mol　H2、4molN2	2mol　NH3
平衡时N2的浓度（mol•L-1）	c1	1.5	C3
平衡时N2的体积分数	w1	W2	W3
混合气体的密度（g•L-1）	ρ1	ρ2	ρ3

①下列描述不能说明该反应已达到平衡状态的是a．（填序号）；
a．容器内混合气体的密度保持不变    
b．3v_正（N₂）═v_逆（H₂）
c．容器内混合气体的平均相对分子质量保持不变
②乙容器中的反应在20min后达到平衡，这段时间内NH₃的平均反应速率v（NH₃）=0.05mol•L^-1•min^-1，该温度下，反应的平衡常数K=5.33L²•mol^-2（结果保留3位有效数字）；
③分析上表中的数据，下列关系正确的是ac（填序号）．
a．c_l＞c₃    b．w_l＜w₂    c．ρ₂＞ρ₁＞ρ₃
（3）在合成氨工业中，为了提高反应物的利用率，除了要提供适宜的温度、压强和使用催化剂外，还要采取的措施是将产物混合气中的氨冷却分离后，剩余气体循环使用．

Answer 1

分析 （1）由可知：①CO（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=CO₂（g）△H=-aKJ•mol；②H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=H₂O（g）△H=-bKJ•mol；③C₅H₁₂（g）+8O₂（g）=5CO₂（g）+6H₂O（g）△H=-cKJ•mol，由盖斯定律可知
C₅H₁₂（g）+5H₂O（g） $\frac{\underline{\;催化剂\;}}{高温}$5CO（g）+11H₂（g）△H=5①+11②-③；
（2）①化学反应达到平衡状态时，正逆反应速率相等，各物质的浓度不再改变，由此衍生的一些物理量也不变，结合反应的特点进行分析；
②3H₂（g）+N₂（g） $?_{催化剂}^{高温高压}$2NH₃（g）
初起（mol•L^-1）：2       2               0
变化（mol•L^-1）：1.5     0.5              1
平衡（mol•L^-1）：0.5     1.5              1
根据v=$\frac{△c}{△t}$计算，平衡常数等于平衡时生成物浓度幂之积比上反应物浓度幂之积；
③a．丙相当在甲的基础上减少氢气，平衡逆向移动，氮气的浓度增大，所以c_l＞c₃； 
b．乙相当在甲基础上增大压强，平衡正向移动，所以w_l＞w₂；
c．根据ρ=$\frac{m}{V}$，体积相同，气体的质量越大密度越大，m_乙＞m_甲＞m_丙，所以ρ₂＞ρ₁＞ρ₃；
（3）将产物混合气中的氨冷却分离后，剩余气体循环使用，也可以使平衡正向移动，提高反应物的利用率．

解答 解：（1）由可知：①CO（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=CO₂（g）△H=-aKJ•mol；②H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=H₂O（g）△H=-bKJ•mol；③C₅H₁₂（g）+8O₂（g）=5CO₂（g）+6H₂O（g）△H=-cKJ•mol，由盖斯定律可知
C₅H₁₂（g）+5H₂O（g） $\frac{\underline{\;催化剂\;}}{高温}$5CO（g）+11H₂（g）△H=5①+11②-③=c-5a-11b，故答案为：c-5a-11b；
（2）①a．容器内混合气体的密度一直保持不变，不能作平衡的标志，故选；
b．3v_正（N₂）=v_正（H₂）═v_逆（H₂），达平衡状态，故不选；
c．容器内混合气体的平均相对分子质量保持不变，说明气体的物质的量不变，反应达平衡状态，故不选；故选a；
②3H₂（g）+N₂（g） $?_{催化剂}^{高温高压}$2NH₃（g）
初起（mol•L^-1）：2       2               0
变化（mol•L^-1）：1.5     0.5              1
平衡（mol•L^-1）：0.5     1.5              1
根据v（NH₃）=$\frac{△c}{△t}$=$\frac{1mol•{L}^{-1}}{20min}$=0.05mol•L^-1•min^-1，
K=$\frac{{1}^{2}}{0．{5}^{3}×1.5}$=5.33，故答案为：0.05mol•L^-1•min^-1，5.33；
③a．丙相当在甲的基础上减少氢气，平衡逆向移动，氮气的浓度增大，所以c_l＞c₃，故正确； 
b．乙相当在甲基础上增大压强，平衡正向移动，所以w_l＞w₂，故错误；
c．根据ρ=$\frac{m}{V}$，体积相同，气体的质量越大密度越大，m_乙＞m_甲＞m_丙，所以ρ₂＞ρ₁＞ρ₃，故正确；
故选ac；
（3）将产物混合气中的氨冷却分离后，剩余气体循环使用，也可以使平衡正向移动，提高反应物的利用率，故答案为：将产物混合气中的氨冷却分离后，剩余气体循环使用．

点评 本题考查学生盖斯定律的应用、化学平衡移动及平衡常数与计算、合成氨条件的选择等，难度中等，关键是三行式的应用，要求学生要有扎实的基础知识和灵活应用知识解决问题的能力．