Question

15．工业上通常采用N₂（g）和H₂（g）崔华成NH3（g）：N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H=-92.4kJ•mol^-1
（1）在一定温度下，若将10amolN₂和30amolH₂放入2L的密闭容器中，充分反应后测得平衡时N₂的转化率为60%，则该反应的平衡常数为$\frac{1}{12{a}^{2}}$（用含a的代数式表示）．若此时再向该容器中投入10amolN₂、20amolH₂和20amolNH₃，判断平衡移动的方向是正向移动（填“正向移动”“逆向移动”或“不移动”）．
（2）若反应起始时N₂、H₂、NH₃的浓度分别为0.1mol/L、0.3mol/L、0.1mol/L．则NH₃达到平衡时浓度的范围为0mol/L＜c（NH₃）＜0.3mol/L；若平衡时N₂、H₂、NH₃的浓度分别为0.1mol/L、0.3mol/L、0.1mol/L，则NH₃起始时浓度的范围为0mol/L≤c（NH₃）≤0.3mol/L．
（3）一定条件下，在容积相同的三个密闭容器中，按不同方式投入反应物，保持恒温、恒容，测得反应达到平衡时的有关数据如表：

容器		甲	乙	丙
反应物投入量		1molN2、3molH2	2molNH3	4molNH3
平衡时数据	反应能量变化的绝对值（kJ）	Q1	Q2	Q3
	反应物转化率	a1	a2	a3
	体系压强（Pa）	p1	P2	P3

则Q₁+Q₂=92.4kJ；a₁+a₂=l（填“＜”“＞”或“=”•下同）：2p₂＞p₃
（4）如图：A是恒容的密闭容器，B是一个体积可变的充气气囊．保持恒温，关闭K₂，将1molN₂和3molH₂通过K₃充入B中，将2molN₂和6molH₂通过K1充入A中；起始时A、B的体积相同均为1L，达到平衡时，V（B）=0.9L；然后打开K₂，一段时间又达到平衡时，B的体积为1.7L（连通管中气体体积不计）．

Answer 1

分析 （1）利用三段法计算出平衡时各物质的浓度，再计算平衡常数，然后利用Q与K的关系来分析平衡的移动；
（2）可假设反应正向进行或逆向进行达到平衡，并结合可逆反应的限度来判断即可；
（3）甲容器反应物投入1molN₂、3molH₂，乙容器反应物投入量2molNH₃，恒温且乙容器容积和甲容器相同，则甲容器与乙容器是等效平衡；
甲容器反应物投入1molN₂、3molH₂，丙容器反应物投入量4molNH₃，采用极限转化法转化为反应物为2molN₂、6molH₂，是甲中的二倍，如果恒温且丙容器容积是甲容器2倍，则甲容器与丙容器也是等效平衡；所以丙所到达的平衡，可以看作在恒温且容积是甲容器两倍条件下，到达平衡后，再压缩体积为与甲容器体积相等所到达的平衡；据此分析平衡移动；
（4）打开K₂，一段时间又达到平衡时，等效为开始通入3molN₂和9molH₂再恒温恒容到达的平衡，与B中平衡为等效平衡，平衡时同种物质的转化率相等，则平衡时混合气体物质的量为B中平衡时的3倍，根据恒温恒压下体积之比等于物质的量之比计算平衡时气体体积，减去A容器体积即为B的体积．

解答 解：（1）由10amolH₂和30amolN₂放入2L的密闭容器中，充分反应后测得N₂的转化率为60%，则
     　　　　　N₂ +3H₂ ?2NH₃
开始mol/L     5a                          15a           0
变化mol/L     5a×60%=3a              9a           6a
平衡mol/L     2a                            6a           6a
平衡常数K=$\frac{{c}^{2}（N{H}_{3}）}{c（{N}_{2}）×{c}^{3}（{H}_{2}）}$=$\frac{（6a）^{2}}{（2a）×（6a）^{3}}$=$\frac{1}{12{a}^{2}}$；
若此时再向该容器中投入10amolN₂、20amolH₂和20amolNH₃，三者的浓度分别为：7amol/L、16amol/L、16amol/L；则Q=$\frac{{c}^{2}（N{H}_{3}）}{c（{N}_{2}）×{c}^{3}（{H}_{2}）}$=$\frac{（16a）^{2}}{（7a）×（16a）^{3}}$=$\frac{1}{112{a}^{2}}$＜K，此时平衡正向进行；
故答案为：$\frac{1}{12{a}^{2}}$；正向移动；
（2）若反应起始时N₂、H₂、NH₃的浓度分别为0.1mol/L、0.3mol/L、0.1mol/L，假设反应正向进行，则N₂的最大转化浓度为0.1mol/L，则NH₃的变化浓度为0.2mol/L，即平衡时NH₃的浓度小于0.3mol/L，假设反应逆向进行，则NH₃的变化浓度最大为0.1mol/L，即平衡时NH₃的最小浓度为大于0mol/L，故NH₃达到平衡时浓度的范围为0mol/L＜c（NH₃）＜0.3mol/L；若平衡时N₂、H₂、NH₃的浓度分别为0.1mol/L、0.3mol/L、0.1mol/L，如果反应是从反应物方向开始的，NH₃的起始浓度为0mol/L，如果反应是生成物方向进行的，生成0.1mol/LN₂时消耗NH₃的浓度分别为0.05mol/L，NH₃的起始浓度为0.15mol/L，NH₃起始时浓度的范围为0mol/L≤c（NH₃）≤0.3mol/L；
故答案为：0mol/L＜c（NH₃）＜0.3mol/L；0mol/L≤c（NH₃）≤0.3mol/L；
（3）甲投入1molN₂、3molH₂，乙中投入2molNH₃，则甲与乙是完全等效的，根据盖斯定律可知，甲与乙的反应的能量变化之和为92.4kJ，Q₁+Q₂=92.4；甲投入1molN₂、3molH₂，乙中投入2molNH₃，则甲与乙是完全等效的，所以转化率α₁+α₂=1；丙容器反应物投入量4molNH₃，是乙的二倍，若平衡不移动，丙中压强为乙的二倍；由于丙中相当于增大压强，平衡向着向着正向移动，所以丙中压强减小，小于乙的2倍，即2p₂＞p₃；
故答案为：92.4；=；＞；
（4）打开K₂，一段时间又达到平衡时，等效为开始通入3molN₂和9molH₂再恒温恒容到达的平衡，与B中平衡为等效平衡，平衡时同种物质的转化率相等，则平衡时混合气体物质的量为B中平衡时的3倍，恒温恒压下体积之比等于物质的量之比，故平衡时气体体积为0.9 L×3=2.7L，则B的体积为2.7 L-1L=1.7L，
故答案为：1.7．

点评 本题考查化学平衡计算与影响因素、平衡状态判断、化学平衡图象、等效平衡、化学平衡的计算，题目计算量较大，综合性强，题目难度较大，关键是构建平衡建立的等效途径，试题侧重对学生灵活运用基础知识解决实际问题的能力的培养．