Question

20．合成氨是人类科学技术上的一项重大突破，工业上以天然气为原料合成氨．其生产
工艺如下：造气阶段→转化阶段→分离净化→合成阶段
（1）造气阶段的反应为：CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）△H=+206.1kJ/mol
①在一个密闭容器中进行上述反应，测得CH₄的物质的量浓度随反应时间的变化如下图1所示，10min时，改变的外界条件可能是升高温度等．
②如图2所示，在初始容积相等的甲、乙两容器中分别充入等物质的量的CH₄和H₂O．在相同温度下发生反应，并维持反应过程中温度不变．则达到平衡时，两容器中CH₄的转化率大小关系为：α_甲（CH₄）＜α_乙（CH₄）

（2）转化阶段发生的可逆反应为：CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g），在一定温度下，反应的平衡常数为K=1．某时刻测得该温度下的密闭容器中各物质的物质的量见下表：

CO	H2O	CO2	H2
0.5mol	8.5mol	2.0mol	2.0mol

此时反应中正、逆反应速率的关系式是a（填序号）．
a．v（正）＞v（逆）           b．v（正）＜v（逆）         c．v（正）=v（逆）        d．无法判断
（3）合成氨反应为：N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H=-92.4kJ/mol
根据勒夏特列原理，简述提高合成氨原料转化率的一种方法增大压强或降低温度或分离液氨．
（4）工业合成氨的热化学方程式为N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H=-92.4kJ•mol^-1．在某压强恒定的密闭容器中加入2mol N₂和4mol H₂，达到平衡时，N₂的转化率为50%，体积变为10L．求：
①该条件下的平衡常数为400；
②若向该容器中加入a mol N₂、b mol H₂、c mol NH₃，且a、b、c 均大于0，在相同条件下达到平衡时，混合物中各组分的物质的量与上述平衡相同．反应放出的热量＜（填“＞”“＜”或“=”）92.4kJ．
③在一定温度下，在一个容积不变的密闭容器中，发生合成氨反应，下列能判断该反应达到化学平衡状态的是cd
a．v（N₂）=3v（NH₃）                               b．混合气体的密度不随时间改变
c．混合气体的平均相对分子质量不随时间改变     d．容器中的压强不随时间改变
e．c（N₂）=c（NH₃）

Answer 1

分析 （1）①10min时瞬间甲烷浓度不变，平衡正向移动，正反应为吸热反应，可能是升高温度，或移走生成物等；
②正反应为气体物质的量增大的反应，乙为恒温恒压，甲为恒温恒容，平衡时甲中压强大于乙中压强，乙中平衡等效再在甲中平衡基础上降低移动，平衡正向移动；
（2）计算此时浓度商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，进而判断v（正）、v（逆）相对大小；
（3）正反应为气体体积减小的放热反应，增大压强或降低温度或分离液氨均使平衡正向移动，可以提高合成氨原料转化率；
（4）①在某压强恒定的密闭容器中加入2mol N₂和4mol H₂，达到平衡时，N₂的转化率为50%，转化的氮气为1mol，则：
            N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）
起始量（mol）：2       4         0
变化量（mol）：1       3         2
平衡量（mol）：1       1         2
容器体积变为10L，再根据K=$\frac{{c}^{2}（N{H}_{3}）}{c（{N}_{2}）×{c}^{3}（{H}_{2}）}$计算平衡常数；
②相同条件下达到平衡时，混合物中各组分的物质的量与①中平衡相同，说明两平衡为完全等效平衡，①中转化率比②中的高，①中参加反应的氮气的物质的量较②中的多；
③可逆反应到达平衡时，同种物质的正逆速率相等且保持不变，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再变化说明到达平衡．

解答 解：（1）①10min时瞬间甲烷浓度不变，平衡正向移动，正反应为吸热反应，可能是升高温度，或移走生成物等，
故答案为：升高温度等；
②正反应为气体物质的量增大的反应，乙为恒温恒压，甲为恒温恒容，平衡时甲中压强大于乙中压强，乙中平衡等效再在甲中平衡基础上降低移动，平衡正向移动，故转化率：α_甲（CH₄）＜α_乙（CH₄），
故答案为：＜；
（2）反应气体气体体积相等，可以用物质的量代替浓度计算浓度商，则此时浓度商Qc=$\frac{2×2}{0.5×8.5}$=$\frac{2×2}{0.5×0.85}$=0.94＜K=1，反应向正反应进行，则v（正）＞v（逆），
故选：a；
（3）正反应为气体体积减小的放热反应，增大压强或降低温度或分离液氨均使平衡正向移动，可以提高合成氨原料转化率，
故答案为：增大压强或降低温度或分离液氨；
（4）①在某压强恒定的密闭容器中加入2mol N₂和4mol H₂，达到平衡时，N₂的转化率为50%，转化的氮气为1mol，则：
           N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）
起始量（mol）：2      4         0
变化量（mol）：1      3         2
平衡量（mol）：1      1         2
容器体积变为10L，则平衡常数K=$\frac{{c}^{2}（N{H}_{3}）}{c（{N}_{2}）×{c}^{3}（{H}_{2}）}$=$\frac{0．{2}^{2}}{0.1×0．{1}^{3}}$=400，
故答案为：400；
②．①中参加反应的氮气为1mol，放出热量为92.4kJ，相同条件下达到平衡时，混合物中各组分的物质的量与①中平衡相同，说明两平衡为完全等效平衡，①中转化率比②中的高，①中参加反应的氮气的物质的量较②中的多，故②中放出的热量＜92.4kJ，
故答案为：＜；
③a．v（N₂）=3v（NH₃），未指明正逆速率，若为2v_正（N₂）=v_逆（NH₃）时反应到达平衡，故a错误；
b．混合气体总质量不变，容器容积不变，混合气体的密度为定值，故b错误；
c．混合气体总质量不变，随反应进行混合气体物质的量减小，平衡相对分子质量增大，当混合气体的平均相对分子质量不随时间改变，说明反应到达平衡，故c正确；
d．随反应进行混合气体总物质的量减小，恒温恒容下压强减小，容器中的压强不随时间改变，说明反应到达平衡，故d正确；
e．平衡时N₂、NH₃的浓度关系与二氧化氮转化率有关，平衡时不一定相等，故e错误，
故选：cd．

点评 本题考查化学平衡计算与影响因素、化学平衡图象、平衡常数、平衡状态判断等，（3）中②注意对等效平衡规律的理解掌握，难度中等．