Question

在实验室进行工业合成氨的模拟实验：
N₂（g）+3H₂（g）═2NH₃（g）△H＜0．当反应达到平衡后，分离出氨，并按与起始时原料气相同的物质的量之比补充N₂、H₂，以实现连续生产，各组分物质的量和时间的关系如图所示（容器体积为1L，各平衡状态时N₂物质的量均可视为0.9mol）．
（1）①以NH₃的浓度变化表示反应开始至15min时该反应的平均速率是

 

 （保留三位有效数字）．
②Ⅰ阶段15min达到平衡，则Ⅰ阶段的平衡常数为

 

；Ⅱ阶段，达到平衡状态时，代表氢气的曲线上的点的坐标为（

 

）．
③H₂在Ⅰ、Ⅱ的平衡转化率a_I（H₂）、a_Ⅱ（H₂）中较小的是

 

，其值是

 

（保留三位有效数字）．
（2）在甲、乙两容器中分别进行反应N₂（g）+3H₂?2NH₃（g），甲容器容积固定，乙容器容积可变．一定温度下，在甲中充入a mol N₂、b mol H₂（3a＞b=3），达到平衡时NH₃的物质的量为c mol．
①相同温度下，在乙中加入2a mol N₂、2b mol H₂，若乙的压强始终与甲的压强相等，乙中反应达到平衡时NH₃的物质的量为

 

 mol（填字母序号，下同）；若乙的容积与甲的容积始终相等，乙中反应达到平衡时NH₃的物质的量为

 

 mol．
A．大于2c  B．等于2c  C．在c～2c之间    D．等于c     E．小于c
②相同温度下，保持乙的容积为甲的一半，并加入1mol NH₃，要使乙中反皮达到平衡时，各物质的体积分数与上述甲容器中达到平衡时的相同，则起始时还应加入

 

和

 

（用含a、b的代数式表示）．

Answer 1

考点：物质的量或浓度随时间的变化曲线

专题：化学平衡专题

分析：（1）①由图可知，15min时到达平衡，氨气的物质的量为0.2mol，根据速率公式计算；
②化学平衡常数为生成物浓度系数次幂的乘积与反应物浓度系数次幂乘积的比值；根据t₂再次平衡时氨气的物质的量计算参加反应的氢气、氮气的物质的量，进而计算加入的氢气的物质的量、平衡时氢气的物质的量，确定坐标；
③氢气的转化率=

已转化的氢气的物质的量

氢气总的物质的量

据此计算两次平衡时氢气的转化率；
（2）①甲乙容器等压，加入的反应物物质的量之比相等，符合等效平衡的规律；若等容，由于乙容器加入的反应物物质的量大，又由于正反应方向为气体物质的量减小的方向，促进反应的正向进行，以此判断；
②容积为甲容器的一半，且各物质的体积分数与甲容器达到相同的平衡状态，则符合等效平衡规律，即将NH₃全部转化为反应物时，氮气和氢气的物质的量分别为0.5amol和0.5molb，据此计算．

解答： 解：（1）①由图可知，15min时到达平衡，氨气的物质的量为0.2mol，故v（NH₃）=

0.2mol

1L?15min

=0.0133mol/（L?min），故答案为：0.0133mol/（L?min）；
②15min达到平衡时，H₂浓度为3mol/L，N₂浓度为0.9mol/L，NH₃浓度为2mol/L，化学平衡常数为K=

22

33×0.9

=0.165；补充氮气、氢气物质的量之比与起始时相同的原料气，再次到达平衡时，氮气的浓度不变，说明加入的氮气完全反应，根据t₂再次平衡时生成氨气的物质的量为0.2mol，则：
     N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）
变化：0.1mol 0.3mol   0.2mol
故t₁时，加入0.1mol氮气，加入的氢气为0.1mol×3.3=0.33mol，故t₁时氢气的物质的量为3mol+0.33mol=3.33mol，坐标为（25min，3.33mol），
t₂再次平衡时，参加反应的氢气为0.3mol，平衡时氢气的物质的量为3.33mol-0.3mol=3.03mol，故t₂时坐标为（50min，3.03mol），
故答案为：0.165；（5、3.03）；
③第一次平衡时氢气的转化率=

0.3mol

3.3mol

×100%=9.09%，第二次平衡时氢气的转化率=

0.3mol

3.33mol

×100%=9.01%，氢气的转化率降低，
故答案为：a_Ⅱ（H₂）；9.01%；
（2）①甲乙容器等压，加入的反应物物质的量之比相等，符合等效平衡，即乙中反应达到平衡时NH₃的物质的量为2cmol；若等容，由于乙容器加入的反应物物质的量大，又由于正反应方向为气体物质的量减小的方向，促进反应的正向进行，即乙中反应达到平衡时NH₃的物质的量大于2cmol，选A；
②容积为甲容器的一半，且各物质的体积分数与甲容器达到相同的平衡状态，则符合等效平衡规律，即氨气全部转化为反应物时，氮气和氢气的物质的量分别为0.5amol和0.5molb，1molNH₃转化为反应物时，氮气的物质的量为0.5mol，氢气的物质的量为1.5mol，此时还应加入氮气的物质的量为（0.5a-0.5）mol，应加入氢气的物质的量为（0.5b-1.5）mol，
故答案为：（0.5a-0.5）molN₂；（0.5b-1.5）molH₂．

点评：本题考查化学反应速率计算、等效平衡、化学平衡图象及有关计算，（2）为难点、易错点，确定每次加入的氮气完全反应是关键，侧重对学生分析思维能力的考查，难度较大．