Question

14．氨的合成是最重要的化工生产之一．
Ⅰ．工业上合氨用的H₂有多种制取的方法：
①用焦炭跟水反应：C（s）+H₂O（g）$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$CO（g）+H₂（g）；
②用天然气中水蒸气反应：CH₄（g）+H₂O（g）$\frac{\underline{\;催化剂\;}}{高温}$CO（g）+3H₂（g）
  已知有关反应的能量变化如图所示，且方法②的反应只能在高温下发生，则方法②中反应的△H=（a+3b-c）KJ/mol．

Ⅱ．在3个1L的密闭容器中，同温度下、使用相同催化剂分别进行反应：
3H₂（g）+N₂（g）$?_{催化剂}^{高温、高压}$2NH₃（g），按不同方式设入反应物，保持恒温、恒容，反应达到平衡时有关数据为：

容器	甲	乙	丙
反应物投入量	3molH2、2molN2	6molH2、4molN2	2molNH3
达到平衡的时间（min）	T	5	8
平衡时N2的浓度（mol•L-1）	C1	3
N2的体积分数	ω1	ω2	ω3
混合气体密度（g•L-1）	ρ1	ρ2

（1）下列能说明该反应已达到平衡状态的是c．
a．容器内N₂、H₂、NH₃的浓度之比为1：3：2  b．v（N₂）_正=3v（H₂）_逆
c．容器内压强保持不变                   d．混合气体的密度保持不变
（2）甲容器中达到平衡所需的时间t＞5min（填“＞”、“＜”或“=”）．
（3）乙中从反应开始到平衡时N₂的平均反应速率0.2mol/（L．min），（注明单位）．
（4）分析上表数据，下列关系正确的是c．
a.2c₁=3mol/L  b．ω₁=ω₂  c.2ρ₁=ρ₂
（5）该温度下，容器乙中，该反应的平衡常数K=$\frac{4}{81}$（用分数表示）（mol/L）^-2．
Ⅲ．（1）有人设想以N₂和H₂为反应物，以溶有A的稀盐酸为电解质溶液，可制造出既能提供电能，又能固氮的新型燃料电池，装置如图1所示．

电池正极的电极反应式是N₂+8H⁺+6e^-=2NH₄⁺，A是氯化铵．
（2）用氨合成尿素的反应为2NH₃（g）+CO₂（g）?CO（NH₂）₂（s）+H₂O（g）．工业生产时，原料气带有水蒸气．图2表示CO₂的转化率与氨碳比$\frac{n（N{H}_{3}）}{n（C{O}_{2}）}$、水碳比$\frac{n（{H}_{2}O）}{n（C{O}_{2}）}$的变化关系．
①曲线Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ对应的水碳比最大是Ⅲ．
②测得B点氨的转化率为40%，则x₁3．

Answer 1

分析 Ⅰ．由图1、图2、图3可分别得热化学方程式：
①CO（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═CO₂（g）△H₁=-akJ•mol^-1
②H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═H₂O（g）△H₂=-bkJ•mol^-1
③CH₄（g）+2O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（g）△H₃=-ckJ•mol^-1
根据盖斯定律，由③-①-②×3可得：CH₄（g）+H₂O（g）═CO（g）+3H₂（g），则△H=△H₃-△H₁-3△H₂；
Ⅱ．（1）可逆反应到达平衡时，同种物质的正逆反应速率相同，各组分的浓度、含量不变，由此衍生的其它一些物理量不变，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；
（2）乙等效为在甲基础上压强增大一倍，甲中反应速率比乙中小，故达到平衡所需要的时间更长；
（3）乙容器5min到达平衡，平衡时氮气浓度为3mol/L，计算氮气浓度变化量，再根据v=$\frac{△c}{△t}$计算；
（4）乙等效为在在甲基础上压强增大一倍，平衡正向移动，平衡时乙中反应物转化率比甲中大，平衡时氮气的体积分数减小；
乙中混合气体总质量为甲中2倍，容器容积均为1L，密度之比等于气体质量之比；
（5）计算平衡时各组分浓度，代入平衡常数表达式K=$\frac{{c}^{2}（N{H}_{3}）}{{c}^{3}（{H}_{2}）×c（{N}_{2}）}$计算；
Ⅲ．（1）正极发生还原反应，由原电池示意图可知，氮气在正极获得电子，酸性条件下生成NH₄⁺，生成的A为氯化铵；
（2）①水碳比$\frac{n（{H}_{2}O）}{n（C{O}_{2}）}$越大，与有利于平衡逆向进行，平衡时二氧化碳的转化率越小；
②测得B点氨的转化率为40%，二氧化碳转化率为60%，令NH₃、CO₂起始物质的量分别为amol、bmol，表示出转化的氨气、二氧化碳物质的量，再根据二者按2：1反应计算解答．

解答 解：Ⅰ．由图1、图2、图3可分别得热化学方程式：
①CO（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═CO₂（g）△H₁=-akJ•mol^-1
②H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═H₂O（g）△H₂=-bkJ•mol^-1
③CH₄（g）+2O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（g）△H₃=-ckJ•mol^-1
根据盖斯定律，由③-①-②×3可得：CH₄（g）+H₂O（g）═CO（g）+3H₂（g），则△H=△H₃-△H₁-3△H₂=（a+3b-c）kJ•mol^-1，故答案为：（a+3b-c）kJ•mol^-1；
Ⅱ．（1）a．容器内N₂、H₂、NH₃的浓度之比为1：3：2，不能说明达到判断状态，取决于起始配料比和转化程度，故a错误；
b．当3v（N₂）_正=v（H₂）_逆时，才说明达到平衡状态，故b错误；
c．随反应进行混合气体物质的量进行，恒温恒容下容器内压强减小，但容器内压强保持不变，说明达到平衡状态，故c正确；
d．恒容时体积不变，质量不变，则混合气体的密度保持不变，不能达到平衡状态，故d错误，
故答案为：c；
（2）乙等效为在甲基础上压强增大一倍，甲中反应速率比乙中小，故甲达到平衡所需要的时间更长，即t＞5min，故答案为：＞；
（3）乙容器5min到达平衡，平衡时氮气浓度为3mol/L，则v（N₂）=$\frac{\frac{4mol}{1L}-3mol/L}{5min}$=0.2mol/（L．min），
故答案为：0.2mol/（L．min）；
（4）乙等效为在在甲基础上压强增大一倍，平衡正向移动，平衡时乙中反应物转化率比甲中大，平衡时乙中氮气的体积分数比甲中小，则：2c₁＜3mol/L，ω₁＞ω₂；
乙中混合气体总质量为甲中2倍，容器容积均为1L，密度之比等于气体质量之比，则2ρ₁=ρ₂，
故选：c；
（5）乙容器5min到达平衡，平衡时氮气浓度为3mol/L，则：
              3H₂（g）+N₂（g）?2NH₃（g）
起始量（mol/L）：6      4       0
变化量（mol/L）：3      1       2
平衡量（mol/L）：3      3       2
故平衡常数K=$\frac{{c}^{2}（N{H}_{3}）}{{c}^{3}（{H}_{2}）×c（{N}_{2}）}$=$\frac{{2}^{2}}{{3}^{3}×3}$=$\frac{4}{81}$，
故答案为：$\frac{4}{81}$；
Ⅲ．（1）正极发生还原反应，由原电池示意图可知，氮气在正极获得电子，酸性条件下生成NH₄⁺，生成的A为氯化铵，正极电极反应式为：N₂+8H⁺+6e^-=2NH₄⁺，故答案为：N₂+8H⁺+6e^-=2NH₄⁺；氯化铵；
（2）①水碳比$\frac{n（{H}_{2}O）}{n（C{O}_{2}）}$越大，与有利于平衡逆向进行，平衡时二氧化碳的转化率越小，故曲线Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ对应的水碳比最大是：Ⅲ，故答案为：Ⅲ；
②测得B点氨的转化率为40%，二氧化碳转化率为60%，令NH₃、CO₂起始物质的量分别为amol、bmol，则反应的氨气为0.4a，反应的二氧化碳为0.6b，则0.4a：0.6b=2：1，故a：b=3：1，即氨碳比$\frac{n（N{H}_{3}）}{n（C{O}_{2}）}$的值x₁=3，故答案为：3．

点评 本题考查化学平衡计算与影响因素、平衡状态判断、反应速率、平衡常数、反应热计算等，侧重于学生的分析能力和计算能力的考查，难度中等．