Question

合成氨技术的创立开辟了人工固氮的重要途径，其研究来自正确的理论指导，合成氨反应的平衡常数K值和温度的关系如下：

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

 
（1）①写出工业合成氨的化学方程式         。
②由上表数据可知该反应为放热反应，理由是         。
③理论上，为了增大平衡时H₂的转化率，可采取的措施是         。（填序号）
a．增大压强              b．使用合适的催化剂
c．升高温度              d．及时分离出产物中的NH₃
（2）原料气H₂可通过反应 CH₄(g)+H₂O (g)CO(g)+3H₂(g) 获取，已知该反应中，当初始混合气
中的  恒定时，温度、压强对平衡混合气CH₄含量的影响如下图所示：

①图中，两条曲线表示压强的关系是：P₁         P₂（填“＞”、“=”或“＜”）。
②该反应为         反应（填“吸热”或“放热”）。
（3）原料气H₂还可通过反应CO(g)+H₂O(g)CO₂ (g)+H₂(g) 获取。
①T ℃时，向容积固定为5 L的容器中充入1 mol水蒸气和1 mol CO，反应达平衡后，测得CO的浓度
为0.08 mol·L^-1，则平衡时CO的转化率为         ，该温度下反应的平衡常数K值为         。
②保持温度仍为T ℃，改变水蒸气和CO的初始物质的量之比，充入容器进行反应，下列描述能够说
明体系处于平衡状态的是         （填序号）。
a．容器内压强不随时间改变
b．混合气体的密度不随时间改变
c．单位时间内生成a mol CO₂的同时消耗a mol H₂
d．混合气中n (CO) : n (H₂O) : n (CO₂) : n (H₂)＝1 : 16 : 6 : 6

Answer 1

（1）①N₂+3H₂ 2 NH₃（2分）
② 随温度升高，反应的平衡常数K减小（2分）    ③ a、d（2分）
（2）① ＜（1分） ②吸热（1分） （3）① 60 %（2分）；或2.25（2分） ② c和d（2分）

解析试题分析：（1）①工业上合成氨的原料是氮气和氢气，在一定温度、压强和催化剂作用下生成氨气，反应的化学方程式为N₂+3H₂ 2 NH₃。
②根据表中数据可知，随着温度的升高，平衡常数K减小。这说明升高温度平衡向逆反应方向移动，因此正方应是放热反应。
③根据方程式可知，该反应是体积减小的、放热的可逆反应。a、增大压强，平衡向正反应方向移动，氢气的转化率增大，a正确；b、催化剂只能改变反应速率，而不能改变平衡状态，因此使用合适的催化剂不能提高氢气的转化率，b不正确；c、正方应是放热反应，升高温度平衡向逆反应方向移动 ，氢气的转化率降低，c不正确；d、及时分离出产物中的NH₃，降低生成物氨气的浓度，平衡向正反应方向移动，氢气的转化率增大，d正确，答案选ad。
（2）①根据反应 CH₄(g)+H₂O (g)CO(g)+3H₂(g) 可知，该反应是体积增大的可逆反应，因此增大越强，平衡向逆反应方向移动，甲烷的含量增大。所以根据图像可知，在温度相同的条件下，p₁表示的甲烷含量低，这说明越强是P₁小于P₂。
②根据图像可知，在越强相同的条件下，随着温度的升高，甲烷的含量降低。这说明升高温度平衡向正反应方向移动，因此该反应为吸热反应。
（3）①           CO(g)+H₂O(g)CO₂ (g)+H₂(g)
起始浓度（mol/L）  0.2      0.2        0        0
转化浓度（mol/L）  0.12    0.12       0.12     0.12
平衡浓度（mol/L）  0.08     0.08       0.12     0.12
所以平衡时CO的转化率＝×100%＝60%
化学平衡常数是在一定条件下，当可逆反应达到平衡状态时，生成物浓度的幂之积和反应物浓度的幂之积的比值，所以该温度下反应的平衡常数K＝=＝。
②在一定条件下，当可逆反应的正反应速率和逆反应速率相等时（但不为0），反应体系中各种物质的浓度或含量不再发生变化的状态，称为化学平衡状态，据此可以判断。a、反应前后体积不变，因此越强始终是不变的，则容器内压强不随时间改变不能说明反应达到平衡状态，a不正确；b、密度是混合气的质量和容器容积的比值，在反应过程中质量和容积始终是不变的，即密度始终是不变的，所以混合气体的密度不随时间改变不能说明反应达到平衡状态，b不正确；c、单位时间内生成a mol CO₂的同时消耗a mol H₂，由于单位时间内生成a mol CO₂的同时还生成amol氢气，这说明正逆反应速率相等，可以说明达到平衡状态，c正确；d、由于反应前后体积不变，则可以用物质的量代替浓度，即如果混合气中n (CO) : n (H₂O) : n (CO₂) : n (H₂)＝1 : 16 : 6 : 6，则此时=＝，因此恰好是平衡状态，d正确，答案选cd。
考点：考查合成氨原理；外界条件对平衡状态的影响；反应速率和平衡常数的计算、平衡状态的判断以及图像分析与应用等