Question

4．NH₃和CO₂是两种重要的化工原料．
（1）一定温度下，在恒容密闭容器中发生反应：N₂+3H₂?2NH₃．该可逆反应达到化学平衡的标志是bd（填正确选项的编号）．
a.3v（H₂）_正=2v（NH₃）_逆
b．单位时间生成mmolN₂的同时消耗3mmolH₂
c．混合气体的密度不再随时间变化　　　
d．$\frac{c（{N}_{2}）•{c}^{3}（{H}_{2}）}{{c}^{2}（N{H}_{3}）}$不再随时间变化
（2）CO₂和NH₃可用于合成尿素[CO（NH₂）₂]，反应原理如下：：
①CO₂（g）+2NH₃（g）=H₂NCOONH₄（s），△H=-159.47kJ/mol
②H₂NCOONH₄（s）=CO（NH₂）₂（s）+H₂O（l）△H=+28.49kJ/mol，
若总反应放热261.96kJ，则反应的CO₂是2mol．
（3）最近科学家们研制成功一种新型催化剂，将CO₂转变为甲烷．在1.01×l0⁵Pa、300℃条件下，CO₂与H₂以1：4体积比发生该反应，平衡时CO₂转化率达90%．
①此反应的化学方程式是CO₂+4H₂$?_{新型催化剂}^{300℃}$CH₄+2H₂O；
②如图为一定条件下，在体积为VL的反应容器中发生①反应时，CH₄物质的量与反应时间的变化关系．反应的平衡常数表达式为K=$\frac{c（C{H}_{4}）{c}^{2}（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）{c}^{4}（{H}_{2}）}$，正反应是放热反应（填“放热反应”或“吸热反应”）；300℃时，从反应开始至恰好达到平衡，以H₂的浓度变化表示的化学反应速率是$\frac{4{n}_{A}}{V{t}_{A}}$mol/（L•min）（用n_A、t_A、V表示）．500℃时，若将处于平衡状态的反应容器体积增加到2V L，化学平衡将向逆反应（填“正反应”或“逆反应”）方向移动，判断的理由是反应容器体积增大，压强减小，化学平衡向气体体积增大的方向进行，逆反应是气体体积增大的反应．

Answer 1

分析 （1）反应达到平衡状态时，正逆反应速率相等，平衡时各种物质的物质的量、浓度等不再发生变化，可由此进行判断；
（2）结合热化学方程式和盖斯定律计算得到热化学方程式，依据热化学方程式定量关系计算；
（3）①在300℃、新型催化剂的作用下，一氧化碳与氢气反应生成甲烷和水；
②根据化学平衡常数为生成物的浓度幂之积除以反应物的浓度幂之积列平衡常数的表达式，温度越高甲烷物质的量越小，说明升温平衡逆向进行；
升高温度平衡甲烷的变化判断平衡常数的变化；
 反应速率之比等于化学方程式计量数之比，化学反应速率是υ（H₂）=4υ（CH₄）计算，
500℃时，若将处于平衡状态的反应容器体积增加到2V L，压强减小，平衡向气体体积增大的方向进行，

解答 解：（1）N₂+3H₂?2NH₃．反应是气体体积减小的放热反应，
a．反应速率之比等于化学方程式计量数之比为正反应速率，2v（H₂）_正=3v（NH₃）_逆，说明氨气正逆反应速率相同，反应达到平衡状态，3v（H₂）_正=2v（NH₃）_逆 ，不能说明正逆反应速率相同，故a错误；
b．单位时间生成mmolN₂的同时消耗3mmolH₂ ，能说明氢气正逆反应速率相同反应达到平衡状态，故b正确；
c．反应前后气体质量不变，体积不变，混合气体的密度不再随时间变化，不能说明反应达到平衡状态，故c错误；　　　
d．$\frac{c（{N}_{2}）•{c}^{3}（{H}_{2}）}{{c}^{2}（N{H}_{3}）}$为该反应的平衡常数的倒数，平衡常数随温度变化，$\frac{c（{N}_{2}）•{c}^{3}（{H}_{2}）}{{c}^{2}（N{H}_{3}）}$不再随时间变化说明反应达到平衡状态，故d正确；
故答案为：bd；
（2）CO₂和NH₃可用于合成尿素[CO（NH₂）₂]，反应原理如下：：
①CO₂（g）+2NH₃（g）=H₂NCOONH₄（s），△H=-159.47kJ/mol
②H₂NCOONH₄（s）=CO（NH₂）₂（s）+H₂O（l）△H=+28.49kJ/mol，
盖斯定律计算①+②得到：CO₂（g）+2NH₃（g）=CO（NH₂）₂（s）+H₂O（l）△H=-130.98KJ/mol
若总反应放热261.96kJ，则反应的CO₂=$\frac{261.96KJ}{130.98KJ}$×1mol=2mol，
故答案为：2；
（3）新型催化剂，将CO₂转变为甲烷．在1.01×l0⁵Pa、300℃条件下，CO₂与H₂以1：4体积比发生该反应，
①在300℃、新型催化剂的作用下，一氧化碳与氢气反应生成甲烷和水，方程式为：CO₂+4H₂$?_{新型催化剂}^{300℃}$CH₄+2H₂O，
故答案为：CO₂+4H₂$?_{新型催化剂}^{300℃}$CH₄+2H₂O；
②化学平衡常数为生成物的浓度幂之积除以反应物的浓度幂之积，CO₂+4H₂$?_{新型催化剂}^{300℃}$CH₄+2H₂O；反应物和生成物都是气体，平衡常数表达式为K=$\frac{c（C{H}_{4}）{c}^{2}（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）{c}^{4}（{H}_{2}）}$，
由图象可知升高温度甲烷的物质的量减少，平衡向逆反应方向移动，K减小，正反应为放热反应，
υ（H₂）=4υ（CH₄）=$\frac{\frac{4{n}_{A}}{V}}{{t}_{A}}$=$\frac{4{n}_{A}}{V{t}_{A}}$，
CO₂+4H₂$?_{新型催化剂}^{300℃}$CH₄+2H₂O，反应容器体积增大，压强减小，化学平衡向气体体积增大的方向进行，逆反应是气体体积增大的反应，
故答案为：$\frac{c（C{H}_{4}）{c}^{2}（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）{c}^{4}（{H}_{2}）}$；放热反应；$\frac{4{n}_{A}}{V{t}_{A}}$mol/（L•min）；逆反应；反应容器体积增大，压强减小，化学平衡向气体体积增大的方向进行，逆反应是气体体积增大的反应．

点评 本题考查化学平衡的影响因素、化学平衡的标志、盖斯定律的应用及平衡常数计算等问题，难度中等．侧重考查学生分析和解决问题的能力．