Question

6．合成氨技术的创立开辟了人工固氮的重要途径，其研究来自正确的理论指导，合成氨反应的平衡常数K值和温度的关系如下：

温 度（℃）	360	440	520
K值	0.036	0.010	0.0038

（1）①写出工业合成氨的化学方程式N₂+3H₂$\frac{\underline{\;\;催化剂\;\;}}{高温高压}$2NH₃．
②由上表数据可知该反应为放热反应，理由是随温度升高，反应的平衡常数K减小．
③理论上，为了增大平衡时H₂的转化率，可采取的措施是ad．（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%，该反应平衡常数的表达式为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）=1：1：1：1．

Answer 1

分析 （1）①工业合成氨是氮气和氢气在催化剂作用下高温高压反应生成氨气；
②依据图标数据分析，平衡常数随温度升高减小，平衡逆向进行说明反应是放热反应
③为了增大平衡时H₂的转化率，平衡正向进行分析选项；
（2）①依据图象变化分析，相同温度下，CH₄（g）+H₂O （g）═CO（g）+3H₂（g），反应是气体体积增大的反应，
②压强一定，温度升高，甲烷平衡含量减小，平衡正向进行，依据平衡移动原理分析判断；
（3）①依据化学平衡三段式列式计算平衡浓度，结合平衡常数概念计算得到；
②化学平衡状态，反应的正逆反应速率相同，各成分含量保持不变分析选项．

解答 解：（1）①合成氨的化学方程式为N₂+3H₂$\frac{\underline{\;\;催化剂\;\;}}{高温高压}$2NH₃，
故答案为：N₂+3H₂$\frac{\underline{\;\;催化剂\;\;}}{高温高压}$2NH₃；
②图表中平衡常数随温度升高减小，说明平衡逆向进行，逆向是吸热反应，正向是放热反应，
故答案为：随温度升高，反应的平衡常数K减小；
③反应是N₂+3H₂$\frac{\underline{\;\;催化剂\;\;}}{高温高压}$2NH₃，反应是气体体积减小的放热反应，为了增大平衡时H₂的转化率，平衡正向进行分析，
a．增大压强，平衡正向进行，氢气转化率增大，故a符合；
b．使用合适的催化剂，改变反应速率，不能改变平衡，氢气转化率不变，故b不符合；
c．升高温度平衡逆向进行，氢气转化率减小，故c不符合；
d．及时分离出产物中的NH₃，平衡正向进行，氢气转化率增大，故d符合；
故答案为：ad；
（2）①依据图象变化分析，相同温度下，CH₄（g）+H₂O （g）═CO（g）+3H₂（g），反应是气体体积增大的反应，压强越大，平衡逆向进行，甲烷平衡含量越高，所以P₂＞P₁，故答案为：＜；
②压强一定，温度升高，甲烷平衡含量减小，平衡正向进行，正反应为吸热反应，故答案为：吸热；
（3）①向容积固定为5L的容器中充入1mol水蒸气和1mol CO，反应达平衡后，测得CO的浓度为0.08mol•L^-1，
                             CO（g）+H₂O（g）═CO₂ （g）+H₂（g）
起始量（mol/L） 0.2              0.2            0                0
变化量（mol/L） 0.12           0.12           0.12         0.12
平衡量（mol/L） 0.08           0.08            0.12            0.12
平衡状态下CO转化率=$\frac{0.12mol/L}{0.2mol/L}$×100%=60%，
则该温度下反应的平衡常数K=$\frac{0.12×0.12}{0.08×0.08}$=2.25
故答案为：60%；2.25；
②化学平衡状态，反应的正逆反应速率相同，各成分含量保持不变分析选项，CO（g）+H₂O（g）═CO₂ （g）+H₂（g），反应后气体体积不变；
a．正反应气体体积不变，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．混合气体质量守恒，容器体积不变，反应过程中和平衡状态下，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a mol CO₂的同时消耗a mol H₂，是正逆反应速率相同，能说明反应达到平衡状态，故c符合；
d．混合气中各组分物质的量之比决定于反应开始时加入的多少，混合气中n （CO）：n （H₂O）：n （CO₂）：n （H₂）=1：1：1：1，说明物质的量不变，说明反应达到平衡状态，故d符合；
故答案为：cd．

点评 本题考查了化学平衡影响因素，平衡标志分析，平衡常数的计算应用，主要是图象分析判断，平衡移动原理的理解应用，掌握基础是关键，题目难度中等．