Question

6．合成氨技術的創立開辟了人工固氮的重要途徑，其研究來自正確的理論指導，合成氨反應的平衡常數K值和溫度的關系如下：

溫 度（℃）	360	440	520
K值	0.036	0.010	0.0038

（1）①寫出工業合成氨的化學方程式N₂+3H₂$\frac{\underline{\;\;催化劑\;\;}}{高溫高壓}$2NH₃．
②由上表數據可知該反應為放熱反應，理由是隨溫度升高，反應的平衡常數K減小．
③理論上，為了增大平衡時H₂的轉化率，可采取的措施是ad．（填序號）
a．增大壓強              b．使用合適的催化劑
c．升高溫度              d．及時分離出產物中的NH₃
（2）原料氣H₂可通過反應 CH₄（g）+H₂O （g）═CO（g）+3H₂（g） 獲取，已知該反應中，當初始混合氣中的 $\frac{n（{H}_{2}O）}{n（C{H}_{4}）}$ 恒定時，溫度、壓強對平衡混合氣CH₄含量的影響如圖所示：
①圖中，兩條曲線表示壓強的關系是：P₁＜P₂（填“＞”、“=”或“＜”）．
②該反應為吸熱反應（填“吸熱”或“放熱”）．
（3）原料氣H₂還可通過反應CO（g）+H₂O（g）═CO₂ （g）+H₂（g） 獲取．
①T℃時，向容積固定為5L的容器中充入1mol水蒸氣和1mol CO，反應達平衡后，測得CO的濃度為0.08mol•L^-1，則平衡時CO的轉化率為60%，該反應平衡常數的表達式為2.25．
②保持溫度仍為T℃，改變水蒸氣和CO的初始物質的量之比，充入容器進行反應，下列描述能夠說明體系處于平衡狀態的是cd（填序號）．
a．容器內壓強不隨時間改變
b．混合氣體的密度不隨時間改變
c．單位時間內生成a mol CO₂的同時消耗a mol H₂
d．混合氣中n （CO）：n （H₂O）：n （CO₂）：n （H₂）=1：1：1：1．

Answer 1

分析 （1）①工業合成氨是氮氣和氫氣在催化劑作用下高溫高壓反應生成氨氣；
②依據圖標數據分析，平衡常數隨溫度升高減小，平衡逆向進行說明反應是放熱反應
③為了增大平衡時H₂的轉化率，平衡正向進行分析選項；
（2）①依據圖象變化分析，相同溫度下，CH₄（g）+H₂O （g）═CO（g）+3H₂（g），反應是氣體體積增大的反應，
②壓強一定，溫度升高，甲烷平衡含量減小，平衡正向進行，依據平衡移動原理分析判斷；
（3）①依據化學平衡三段式列式計算平衡濃度，結合平衡常數概念計算得到；
②化學平衡狀態，反應的正逆反應速率相同，各成分含量保持不變分析選項．

解答 解：（1）①合成氨的化學方程式為N₂+3H₂$\frac{\underline{\;\;催化劑\;\;}}{高溫高壓}$2NH₃，
故答案為：N₂+3H₂$\frac{\underline{\;\;催化劑\;\;}}{高溫高壓}$2NH₃；
②圖表中平衡常數隨溫度升高減小，說明平衡逆向進行，逆向是吸熱反應，正向是放熱反應，
故答案為：隨溫度升高，反應的平衡常數K減小；
③反應是N₂+3H₂$\frac{\underline{\;\;催化劑\;\;}}{高溫高壓}$2NH₃，反應是氣體體積減小的放熱反應，為了增大平衡時H₂的轉化率，平衡正向進行分析，
a．增大壓強，平衡正向進行，氫氣轉化率增大，故a符合；
b．使用合適的催化劑，改變反應速率，不能改變平衡，氫氣轉化率不變，故b不符合；
c．升高溫度平衡逆向進行，氫氣轉化率減小，故c不符合；
d．及時分離出產物中的NH₃，平衡正向進行，氫氣轉化率增大，故d符合；
故答案為：ad；
（2）①依據圖象變化分析，相同溫度下，CH₄（g）+H₂O （g）═CO（g）+3H₂（g），反應是氣體體積增大的反應，壓強越大，平衡逆向進行，甲烷平衡含量越高，所以P₂＞P₁，故答案為：＜；
②壓強一定，溫度升高，甲烷平衡含量減小，平衡正向進行，正反應為吸熱反應，故答案為：吸熱；
（3）①向容積固定為5L的容器中充入1mol水蒸氣和1mol CO，反應達平衡后，測得CO的濃度為0.08mol•L^-1，
                             CO（g）+H₂O（g）═CO₂ （g）+H₂（g）
起始量（mol/L） 0.2              0.2            0                0
變化量（mol/L） 0.12           0.12           0.12         0.12
平衡量（mol/L） 0.08           0.08            0.12            0.12
平衡狀態下CO轉化率=$\frac{0.12mol/L}{0.2mol/L}$×100%=60%，
則該溫度下反應的平衡常數K=$\frac{0.12×0.12}{0.08×0.08}$=2.25
故答案為：60%；2.25；
②化學平衡狀態，反應的正逆反應速率相同，各成分含量保持不變分析選項，CO（g）+H₂O（g）═CO₂ （g）+H₂（g），反應后氣體體積不變；
a．正反應氣體體積不變，容器內壓強不隨時間改變，不能說明反應達到平衡狀態，故a不符合；
b．混合氣體質量守恒，容器體積不變，反應過程中和平衡狀態下，混合氣體的密度不隨時間改變，不能說明反應達到平衡狀態，故b不符合；
c．單位時間內生成a mol CO₂的同時消耗a mol H₂，是正逆反應速率相同，能說明反應達到平衡狀態，故c符合；
d．混合氣中各組分物質的量之比決定于反應開始時加入的多少，混合氣中n （CO）：n （H₂O）：n （CO₂）：n （H₂）=1：1：1：1，說明物質的量不變，說明反應達到平衡狀態，故d符合；
故答案為：cd．

點評 本題考查了化學平衡影響因素，平衡標志分析，平衡常數的計算應用，主要是圖象分析判斷，平衡移動原理的理解應用，掌握基礎是關鍵，題目難度中等．