Question

2．化学反应速率与化学反应限度相关知识在化工生产中应用广泛．
Ⅰ．一种“人工固氮”的新方法是在常温、常压、光照条件下，N₂在催化剂表面与水发生反应生成NH₃：
N₂（g）+3H₂O（g）?2NH₃（g）+$\frac{3}{2}$O₂（g）△H＞0，进一步研究NH₃生成量与温度的关系，部分实验数据见下表（反应时间3 h）：

T/℃	30	40	50
生成 NH3量/（10-6 mol）	4.8	5.9	6.0

请回答下列问题：
（1）50℃时从开始到3h内以O₂物质的量变化表示的平均反应速率为1.5×10^-6mol•h^-1．
（2）与目前广泛应用的工业合成氨方法相比，该方法中固氮反应速率较慢．下列措施既可增加反应速率又可以增加NH₃产率的是A（填序号）．
A．升高温度    B．将NH₃从体系中分离
C．恒容条件下，充入He    D．加入合适的催化剂
（3）工业合成氨的热化学方程式为N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H=-92.4 kJ/mol．在某10L恒容的密闭容器中加入2molN₂和4molH₂，达到平衡时放出的热量为92.4KJ，该条件下的平衡常数为400．下列能判断该反应一定达到平衡状态的是AD（填序号）．
A．容器中气体的平均相对分子质量不随时间而变化
B.2v_正（NH₃）═3v_逆（H₂）
C．N₂、H₂、NH₃三种物质的反应速率之比为1：3：2
D．容器中总压强不随时间而变化
E．反应的△H不再变化
Ⅱ．高炉炼铁过程中发生的主要反应为：$\frac{1}{3}$Fe₂O₃（s）+CO（g）?$\frac{2}{3}$Fe（s）+CO₂（g），已知该反应在不同温度下的平衡常数如下：

温度/℃	1000	1150	1300
平衡常数	4.0	3.7	3.5

请回答下列问题：
（1）该反应的△H＜0（填“＞”、“＜”或“=”）；   
（2）在一个容积为10L的密闭容器中，1000℃时加入Fe、Fe₂O₃、CO、CO₂各1.0 mol，反应经过l0 min后达到平衡．求CO的平衡转化率=60%；欲提高（2）中CO的平衡转化率，可采取的措施是C（填序号）．
（3）下列措施中能使平衡时$\frac{c（CO）}{c（{CO}_{2}）}$增大的是D（填序号）．
A．减少Fe的量   B．增加Fe₂O₃的量  C．移出部分CO₂   D．提高反应温度    E．减小容器的体积    F．加入合适的催化剂．

Answer 1

分析 I．（1）由速率单位可知，用单位时间内物质的量变化量表示反应速率，根据v=$\frac{△n}{△t}$计算v（NH₃），再利用速率之比等于化学计量数之比计算v（O₂）；
（2）升高温度、增大压强或浓度、使用催化剂等可以加快反应速率，要增加NH₃产率，应改变条件使平衡正向移动；
（3）根据反应放出的热量计算各组分物质的量变化量，再计算平衡时各组分物质的量浓度，根据K=$\frac{{c}^{2}（N{H}_{3}）}{c（{N}_{2}）×{c}^{3}（{H}_{2}）}$计算平衡常数；
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；
Ⅱ．（1）由表中数据可知，随温度升高平衡常数减小，说明升高温度平衡逆向移动，则正反应为放热反应；
（2）设平衡时CO的转化率为a，表示出平衡时各组分物质的量，反应前后气体的物质的量不变，用物质的量代替浓度代入平衡常数K=$\frac{c（C{O}_{2}）}{c（CO）}$=4计算；
欲提高（2）中CO的平衡转化率，应改变条件使平衡正向移动，注意增大CO的浓度，等效为增大压强，平衡不移动，CO转化率不变；
（3）$\frac{c（CO）}{c（{CO}_{2}）}$值为$\frac{2}{3}$Fe（s）+CO₂（g）?$\frac{1}{3}$Fe₂O₃（s）+CO（g）的平衡常数，只受温度影响．

解答 解：I．（1）由速率单位可知，用单位时间内物质的量变化量表示反应速率，50℃时从开始到3h内v（NH₃）=$\frac{6.0×1{0}^{-6}mol}{3h}$=2×10^-6mol/h，速率之比等于化学计量数之比，则v（O₂）=$\frac{3}{4}$v（NH₃）=1.5×10^-6mol/h，
故答案为：1.5×10^-6；
（2）A．升高温度反应速率加快，正反应为吸热反应，升高温度平衡正向移动，NH₃产率增大，故A正确；
B．将NH₃从体系中分离，平衡正向移动，NH₃产率增大，但反应速率减慢，故B错误；
C．恒容条件下，充入He，反应混合物各组分浓度不变，反应速率不变、平衡不移动，NH₃产率不变，故C错误；
D．加入合适的催化剂，反应速率增大，平衡不移动，NH₃产率不变，故D错误，
故选：A；
（3）在某10L恒容的密闭容器中加入2molN₂和4molH₂，达到平衡时放出的热量为92.4KJ，参加反应的氮气为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
则平衡常数K=$\frac{{c}^{2}（N{H}_{3}）}{c（{N}_{2}）×{c}^{3}（{H}_{2}）}$=$\frac{（\frac{2}{10}）^{2}}{\frac{1}{10}×（\frac{1}{10}）^{3}}$=400，
A．混合气体总质量不变，随反应进行混合气体物质的量减小，容器中气体的平均相对分子质量增大，当平均相对分子质量不随时间而变化时，说明到达平衡，故A正确；
B．应是3v_正（NH₃）═2v_逆（H₂）时，反应到达平衡，故B错误；
C．没有指明正逆反应速率，N₂、H₂、NH₃三种物质的正反应速率之比始终为1：3：2，故C错误；
D．随反应进行混合气体物质的量减小，恒温恒容下压强减小，容器中总压强不随时间而变化，说明反应到达平衡，故D正确；
E．反应的△H与化学计量数等有关，与是否到达平衡无关，故E错误，
故选：AD；
Ⅱ．（1）由表中数据可知，随温度升高平衡常数减小，说明升高温度平衡逆向移动，则正反应为放热反应，则该反应的△H＜0，故答案为：＜；
（2）设平衡时CO的转化率为a，转化的CO为a mol，则：
          $\frac{1}{3}$Fe₂O₃（s）+CO（g）?$\frac{2}{3}$Fe（s）+CO₂（g）
起始量（mol）：1                1
变化量（mol）：a                a
平衡量（mol）：1-a               1+a
反应前后气体的物质的量不变，用物质的量代替浓度计算平衡常数，则K=$\frac{c（C{O}_{2}）}{c（CO）}$=$\frac{1+a}{1-a}$=4，解得a=60%；
欲提高（2）中CO的平衡转化率，应改变条件使平衡正向移动，注意增大CO的浓度，等效为增大压强，平衡不移动，CO转化率不变，
A．减少Fe的量，平衡不移动，CO转化率不变，故A错误；
B．增加Fe₂O₃的量，平衡不移动，CO转化率不变，故B错误；
C．移出部分CO₂，平衡正向，CO转化率增大，故C正确；
D．正反应为放热反应，提高反应温度，平衡逆向移动，CO转化率减小，故D错误；
E．减小容器的体积，压强增大，平衡不移动，CO转化率不变，故E错误；
F．加入合适的催化剂，缩短到达平衡的时间，不影响平衡移动，CO转化率不变，故F错误，
故答案为：60%；C；
（3）$\frac{c（CO）}{c（{CO}_{2}）}$值为$\frac{2}{3}$Fe（s）+CO₂（g）?$\frac{1}{3}$Fe₂O₃（s）+CO（g）的平衡常数，只受温度影响，该反应为吸热反应，升高温度平衡正向移动，平衡常数增大，
故选：D．

点评 本题考查化学平衡计算与影响因素、平衡状态判断、平衡常数、反应速率等，注意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．