Question

15．氨是化肥工業和基本有機化工的主要原料，合成氨工業因此成為基本無機化工之一．回答下列問題：
（1）如何獲得廉價的氫氣是合成氨工業中的重要課題，目前常用戊烷跟水蒸氣反應的方法  獲得氫氣：
C₅H₁₂（g）+5H₂O（g） $\frac{\underline{\;催化劑\;}}{高溫}$5CO（g）+11H₂（g）
已知幾個反應的能量變化如圖所示，則上述反應的△H=c-5a-11bkJ•mol^-1
 （2）合成氨的反應原理為：
3H₂（g）+N₂（g） $?_{催化劑}^{高溫高壓}$2NH₃（g）
現有甲、乙、丙3個固定容積為2L的密閉容器，在相同溫度和催化劑條件下，按不同的反應物投入量進行合成氨反應，相關數據如下表所示：

容器	甲	乙	丙
反應物投入量	2mol　H2、2molN2	4mol　H2、4molN2	2mol　NH3
平衡時N2的濃度（mol•L-1）	c1	1.5	C3
平衡時N2的體積分數	w1	W2	W3
混合氣體的密度（g•L-1）	ρ1	ρ2	ρ3

①下列描述不能說明該反應已達到平衡狀態的是a．（填序號）；
a．容器內混合氣體的密度保持不變    
b．3v_正（N₂）═v_逆（H₂）
c．容器內混合氣體的平均相對分子質量保持不變
②乙容器中的反應在20min后達到平衡，這段時間內NH₃的平均反應速率v（NH₃）=0.05mol•L^-1•min^-1，該溫度下，反應的平衡常數K=5.33L²•mol^-2（結果保留3位有效數字）；
③分析上表中的數據，下列關系正確的是ac（填序號）．
a．c_l＞c₃    b．w_l＜w₂    c．ρ₂＞ρ₁＞ρ₃
（3）在合成氨工業中，為了提高反應物的利用率，除了要提供適宜的溫度、壓強和使用催化劑外，還要采取的措施是將產物混合氣中的氨冷卻分離后，剩余氣體循環使用．

Answer 1

分析 （1）由可知：①CO（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=CO₂（g）△H=-aKJ•mol；②H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=H₂O（g）△H=-bKJ•mol；③C₅H₁₂（g）+8O₂（g）=5CO₂（g）+6H₂O（g）△H=-cKJ•mol，由蓋斯定律可知
C₅H₁₂（g）+5H₂O（g） $\frac{\underline{\;催化劑\;}}{高溫}$5CO（g）+11H₂（g）△H=5①+11②-③；
（2）①化學反應達到平衡狀態時，正逆反應速率相等，各物質的濃度不再改變，由此衍生的一些物理量也不變，結合反應的特點進行分析；
②3H₂（g）+N₂（g） $?_{催化劑}^{高溫高壓}$2NH₃（g）
初起（mol•L^-1）：2       2               0
變化（mol•L^-1）：1.5     0.5              1
平衡（mol•L^-1）：0.5     1.5              1
根據v=$\frac{△c}{△t}$計算，平衡常數等于平衡時生成物濃度冪之積比上反應物濃度冪之積；
③a．丙相當在甲的基礎上減少氫氣，平衡逆向移動，氮氣的濃度增大，所以c_l＞c₃； 
b．乙相當在甲基礎上增大壓強，平衡正向移動，所以w_l＞w₂；
c．根據ρ=$\frac{m}{V}$，體積相同，氣體的質量越大密度越大，m_乙＞m_甲＞m_丙，所以ρ₂＞ρ₁＞ρ₃；
（3）將產物混合氣中的氨冷卻分離后，剩余氣體循環使用，也可以使平衡正向移動，提高反應物的利用率．

解答 解：（1）由可知：①CO（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=CO₂（g）△H=-aKJ•mol；②H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=H₂O（g）△H=-bKJ•mol；③C₅H₁₂（g）+8O₂（g）=5CO₂（g）+6H₂O（g）△H=-cKJ•mol，由蓋斯定律可知
C₅H₁₂（g）+5H₂O（g） $\frac{\underline{\;催化劑\;}}{高溫}$5CO（g）+11H₂（g）△H=5①+11②-③=c-5a-11b，故答案為：c-5a-11b；
（2）①a．容器內混合氣體的密度一直保持不變，不能作平衡的標志，故選；
b．3v_正（N₂）=v_正（H₂）═v_逆（H₂），達平衡狀態，故不選；
c．容器內混合氣體的平均相對分子質量保持不變，說明氣體的物質的量不變，反應達平衡狀態，故不選；故選a；
②3H₂（g）+N₂（g） $?_{催化劑}^{高溫高壓}$2NH₃（g）
初起（mol•L^-1）：2       2               0
變化（mol•L^-1）：1.5     0.5              1
平衡（mol•L^-1）：0.5     1.5              1
根據v（NH₃）=$\frac{△c}{△t}$=$\frac{1mol•{L}^{-1}}{20min}$=0.05mol•L^-1•min^-1，
K=$\frac{{1}^{2}}{0．{5}^{3}×1.5}$=5.33，故答案為：0.05mol•L^-1•min^-1，5.33；
③a．丙相當在甲的基礎上減少氫氣，平衡逆向移動，氮氣的濃度增大，所以c_l＞c₃，故正確； 
b．乙相當在甲基礎上增大壓強，平衡正向移動，所以w_l＞w₂，故錯誤；
c．根據ρ=$\frac{m}{V}$，體積相同，氣體的質量越大密度越大，m_乙＞m_甲＞m_丙，所以ρ₂＞ρ₁＞ρ₃，故正確；
故選ac；
（3）將產物混合氣中的氨冷卻分離后，剩余氣體循環使用，也可以使平衡正向移動，提高反應物的利用率，故答案為：將產物混合氣中的氨冷卻分離后，剩余氣體循環使用．

點評 本題考查學生蓋斯定律的應用、化學平衡移動及平衡常數與計算、合成氨條件的選擇等，難度中等，關鍵是三行式的應用，要求學生要有扎實的基礎知識和靈活應用知識解決問題的能力．