Question

9．氨的合成是最重要的化工生产之一．
Ⅰ．合成氨用的氢气有多种制取的方法：
①活泼金属（如钠）直接跟水反应；
②金属（如锌）跟稀盐酸或稀硫酸反应；
③电解水制氢气
④由焦炭跟水反应制取氢气：C+H₂O（g）$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$CO+H₂；
⑤由天然气制取氢气：CH₄+H₂O（g）$\frac{\underline{\;\;\;高温\;\;\;}}{催化剂}$CO+3H₂
（1）请你再补充一种制取氢气的方法，写出该反应的化学方程式2Al+2NaOH+2H₂O=2NaAlO₂+3H₂↑．
（2）已知有关反应的能量变化如图，则方法⑤反应的焓变△H=（a+3b-c）kJ•mol^-1．

Ⅱ．在3个2L的密闭容器中，在相同的温度下、使用相同的催化剂分别进行反应：3H₂（g）+N₂（g）$\frac{\underline{\;高温高压\;}}{催化剂}$2NH₃（g），按不同方式投入反应物，保持恒温、恒容，测得反应达到平衡时有关数据如表：

容器	甲	乙	丙
反应物投入量	3mol H2、2mol N2	6mol H2、4mol N2	2mol NH3
达到平衡的时间（min）		5	8
平衡时N2的浓度（mol•L-1）	c1	1.5
NH3的体积分数	ω1		ω3
混合气体密度（g•L-1）	ρ1	ρ2

（3）分析上表数据，下列关系正确的是ab（填写序号字母）．
a．2c₁＞1.5mol/L         b．2ρ₁=ρ₂       c．ω₃=ω₁
（4）在该温度下该反应的平衡常数K=$\frac{（2-2{c}_{1}）^{2}}{{c}_{1}×（3{c}_{1}-1.5）^{3}}$（用含c₁的代数式表示）．
（5）容器乙中反应从开始到达平衡的反应速率为v（H₂）=0.3mol/（L．min）．
Ⅲ．用氨气制取尿素[CO（NH₂）₂]的反应为：2NH₃（g）+CO₂（g）?CO （NH₂）₂（l）+H₂O（g）．某温度下，为进一步提高CO₂的平衡转化率，下列措施中能达到目的是ab．
a．提高NH₃的浓度   b．增大压强   c．及时转移生成的尿素   d．使用更高效的催化剂．

Answer 1

分析 I．（1）Al与氢氧化钠溶液反应生成偏铝酸钠与氢气，可以制备氢气；
（2）由图可知，热化学方程式：
①CO（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=CO₂（g）△H₁=-akJ•mol^-1
②H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=H₂O（g）△H₂=-bkJ•mol^-1
③CH₄（g）+2O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（g）△H₃=-ckJ•mol^-1
根据盖斯定律，③-①-②×3可得：CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g），则△H=△H₃-△H₁-3△H₂；
Ⅱ（3）a．乙等效为在在甲基础上压强增大一倍，平衡正向移动，平衡时乙中反应物转化率比甲中大；
b．乙中混合气体总质量为甲中2倍，容器容积均为2L，密度之比等于气体质量之比；
c．丙等效为在甲平衡的基础上移走1mol氮气到达的平衡，平衡时氨气的体积分数不同；
（4）计算平衡时各组分浓度，代入平衡常数表达式K=$\frac{{c}^{2}（N{H}_{3}）}{c（{N}_{2}）×{c}^{3}（{H}_{2}）}$计算；
（5）乙容器5min到达平衡，平衡时氮气浓度为1.5mol/L，计算氮气浓度变化量，根据v=$\frac{△c}{△t}$计算v（N₂），再根据速率之比等于化学计量数之比计算v（H₂）；
Ⅲ．a．提高NH₃的浓度，平衡正向移动；
b．正反应为气体体积减小的反应，增大压强，平衡正向移动；
c．尿素为液体，及时转移生成的尿素，不影响平衡移动；
d．使用更高效的催化剂，加快反应速率，不影响平衡移动．

解答 解：Ⅰ．（1）Al与氢氧化钠溶液反应生成偏铝酸钠与氢气，可以制备氢气，反应方程式为：2Al+2NaOH+2H₂O=2NaAlO₂+3H₂↑，
故答案为：2Al+2NaOH+2H₂O=2NaAlO₂+3H₂↑；
（2）由图1、图2、图3可分别得热化学方程式：
①CO（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=CO₂（g）△H₁=-akJ•mol^-1
②H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=H₂O（g）△H₂=-bkJ•mol^-1
③CH₄（g）+2O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（g）△H₃=-ckJ•mol^-1
根据盖斯定律，由③-①-②×3可得：CH₄（g）+H₂O（g）═CO（g）+3H₂（g），则△H=△H₃-△H₁-3△H₂=（a+3b-c）kJ•mol^-1，
故答案为：（a+3b-c）kJ•mol^-1；
Ⅱ．（3）a．乙等效为在在甲基础上压强增大一倍，平衡正向移动，平衡时乙中反应物转化率比甲中大，则2c₁＞1.5mol/L，故a正确；
b．乙中混合气体总质量为甲中2倍，容器容积均为2L，密度之比等于气体质量之比，则2ρ₁=ρ₂，故B正确；
c．丙等效为在甲平衡的基础上移走1mol氮气到达的平衡，平衡时氨气的体积分数不同，故c错误；
故选：ab；
（4）甲容器到达平衡，平衡时氮气浓度为c₁mol/L，则：
               N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）
起始量（mol/L）：1      1.5        0
变化量（mol/L）：1-c₁ 3（1-c₁ ）    2（1-c₁ ）  
平衡量（mol/L）：c₁   （3c₁-1.5）2（1-c₁ ）
故平衡常数K=$\frac{{c}^{2}（N{H}_{3}）}{c（{N}_{2}）×{c}^{3}（{H}_{2}）}$=$\frac{（2-2{c}_{1}）^{2}}{{c}_{1}×（3{c}_{1}-1.5）^{3}}$，
故答案为：$\frac{（2-2{c}_{1}）^{2}}{{c}_{1}×（3{c}_{1}-1.5）^{3}}$；
（5）乙容器5min到达平衡，平衡时氮气浓度为1.5mol/L，则v（N₂）=$\frac{\frac{4mol}{2L}-1.5mol/L}{5min}$=0.1mol/（L．min），速率之比等于化学计量数之比，v（H₂）=3v（N₂）=0.3mol/（L．min），
故答案为：0.3mol/（L．min）；
Ⅲ．a．提高NH₃的浓度，平衡正向移动，CO₂的平衡转化率增大，故a正确；
b．增大压强，平衡正向移动，CO₂的平衡转化率增大，故b正确；
c．尿素为液体，及时转移生成的尿素，不影响平衡移动，CO₂的平衡转化率不变，故c错误；
d．使用更高效的催化剂，缩短到达平衡时间，不影响平衡移动，CO₂的平衡转化率不变，故d错误，
故选：ab．

点评 本题考查化学平衡计算与影响因素、反应速率、平衡常数、反应热计算等，侧重于学生的分析能力和计算能力的考查，难度中等．