Question

4．氨氣是一種重要的化工原料，大量用于制造尿素、純堿、銨態氮肥以及硝酸，在有機合成工業中制合成纖維、塑料、染料等．請回答下列問題：
（1）氨氣是工業制備硝酸的重要原料，已知下列三個熱化學方程式：
①N₂ （g）+3H₂ （g）?2NH₃ （g）△H₁
②4NH₃（g）+5O₂ （g）═4NO（g）+6H₂O（l）△H₂
③N₂ （g）+O₂ （g）═2NO （g）△H
能否應用△H₁和△H₂表示△H？若能用△H₁和△H₂表示△H，則寫出△H=無；若不能，說明理由：不能，缺少氫氣的燃燒熱．
（2）在相同的溫度下，容積相等的兩個恒容密閉容器（編號分別為a和b）中，一定量的氮氣和氫氣發生下列可逆反應：N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H=-92.4kJ/mol
實驗測得反應起始時各物質的物質的量及平衡時放出的熱量如下表：

容器編號	起始時各物質物質的量/mol			平衡時反應
	N2	H2	NH3
a	1	3	0	23.1
b	2	6	0	未知（用E表示）

下列說法正確的是②③（填序號）
①反應a和反應b的氫氣轉化率相同
②利用已知數據可以計算反應b的平衡常數
③利用已知數據可以計算反應b放出的能量E
④平衡時a、b兩個反應的氨氣體積分數為1：1
（3）溫度為400℃、壓強為30Mpa的情況下，密閉容器中發生氫氣與氮氣的合成氨反應：N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H＜0．氨氣的物質的量[n（NH₃）]和氫氣的物質的量[n（H₂）]隨時間變化的關系如圖：
正反應速率最大的點是a（選填a、b、c、d中的一個或幾個），氮氣的物質的量[n（N₂）]相等的兩點是cd（選填a、b、c、d中的兩個）；保持其他條件不變，將溫度改為600℃，在上圖中畫出反應達到平衡的過程中氨氣的變化曲線．
（4）工業合成氨用煤制備原料氣氫氣時，往往排放大量的二氧化碳．實際工業生成中可利用二氧化碳聯合生產二甲醚（CH₃OCH₃），一定條件下，在容積固定的密閉設備中發生反應：
2CO₂（g）+6H₂（g）$\stackrel{催化劑}{?}$CH₃OCH₃（g）+3H₂O（g）△H＜0
兩個密閉恒容容器中在溫度均為T且保持不變的情況下進行上述反應，一段時間后測得兩個容器中有關數據及正逆反應速率關系如下表：

容器	c（CO2） /mol•L-1	c（H2） /mol•L-1	c（CH3OCH3） /mol•L-1	c（H2O） /mol•L-1	v （正）和v （逆）比較
容器I	1.0×10-2	1.0×10-2	1.0×10-4	1.0×10-4	v （正）=v （逆）
容器II	2.0×10-2	1.0×10-2	1.0×10-4	2.0×10-4

容器I中的反應是（選填“是”或“否”）達到平衡狀態，該反應在溫度為T時的平衡常數K=1.0．表格內的空格處v（正）與v（逆）的大小關系是v（正）＜v（逆）．

Answer 1

分析 （1）由于所給的①和②中存在氫氣的燃燒，缺少氫氣燃燒的數據；
（2）a和b比較是反應物的濃度增加一倍，據此可以計算b放出的能量E，由于溫度不變，可以計算b狀態的平衡常數；
（3）反應物濃度越大，反應速率越大；t₁時刻后，化學反應達到平衡，據此判斷；溫度升高，化學反應速率加快，達到平衡時間變短，且平衡左移，導致氨氣的物質的量減小，據此解答即可；
（4）平衡狀態的標志是：正逆反應速率相等，根據平衡常數表達式來計算平衡常數；根據任意態的濃度熵和平衡常數的關系來判斷是否是平衡狀態以及反應的移動方向．

解答 解：（1）由于沒有給出氫氣的燃燒熱數據，故不能利用①和②表示△H，故答案為：無；不能，缺少氫氣的燃燒熱；
（2）b與a相比，是反應物的濃度增大一倍，
①由于b是增加的反應物的濃度，導致平衡右移，故反應a和反應b的氫氣轉化率不相同，故①錯誤；
②溫度不變，平衡常數不變，可以依據數據23.1計算此時的平衡常數，b狀態下平衡常數與a相等，故②正確；
③b中濃度是a的2倍，利用已知數據可以計算反應b放出的能量E，故③正確；
④由于b狀態與a相比，濃度增大，平衡右移，故氨氣體積不同，故④錯誤，
故選②③；
（3）由于a點反應物的物質的量最大，故a點化學反應速率最快，時刻，化學反應達到平衡狀態，此時各種物質的物質的量不變，即c、d兩點氮氣的物質的量相同，溫度升高，化學反應速率加快，達到平衡時間變短，且平衡左移，導致氨氣的物質的量減小，此時圖象為：，故答案為：a；cd；   ；
（4）設備I中正逆反應速率相等的狀態是平衡狀態，根據平衡常數K=$\frac{c（C{H}_{3}OC{H}_{3}）×{c}^{3}（{H}_{2}O）}{{c}^{2}{（C{O}_{2}）×c}^{6}（{H}_{2}）}$=$\frac{（1×1{0}^{-4}）^{4}}{（1×1{0}^{-2}）^{8}}$=1，因為該反應的平衡常數K=1.0，而設備 II中Q_c=c（CH₃OCH₃）•c³（H₂O）/c²（CO₂）•c⁶（H₂）=1.0×10^-4×（2.0×10^-4）³/（2.0×10^-2）²（1.0×10^-2）⁶=2.0，所以Q_c＞K，反應正在向逆反應方向進行，v（正）＜v（逆），故答案為：因為該反應的平衡常數K=1.0，而設備 II中Q_c=c（CH₃OCH₃）•c³（H₂O）/c²（CO₂）•c⁶（H₂）=1.0×10^-4×（2.0×10^-4）³/（2.0×10^-2）²（1.0×10^-2）⁶=2.0，所以Q_c＞K，反應正在向逆反應方向進行，v（正）＜v（逆），
故答案為：是；1.0；v（正）＜v（逆）．

點評 本題主要考查的是蓋斯定律的應用、化學反應速率與平衡以及其影響因素、平衡常數的計算等，本題綜合性較強，難度較大．