Question

12．氨的合成是最重要的化工生产之一．
Ⅰ．工业上合成氨用的H₂有多种制取的方法：
①用焦炭跟水反应：C（s）+H₂O（g）$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$ CO（g）+H₂（g）；
②用天然气跟水蒸气反应：CH₄（g）+H₂O（g）$\frac{\underline{\;催化剂\;}}{高温}$ CO（g）+3H₂（g）
已知有关反应的能量变化如图1，且方法②的反应为吸热反应，则方法②中反应的△H=+（a+3b-c） kJ/moL．

Ⅱ．在3个1L的密闭容器中，同温度下、使用相同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，反应达到平衡时有关数据为：

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）	t	5	8
平衡时N2的浓度（mol•L-1）	c1	3	c2

（1）下列能说明该反应已达到平衡状态的是c
a．容器内N₂、H₂、NH₃的浓度之比为1：3：2    
b．v（N₂）_正=3v（H₂）_逆
c．容器内压强保持不变                         
d．混合气体的密度保持不变
（2）甲容器中达到平衡所需要的时间t＞5min，表中c₁＞c₂．（填“＞”、“＜”或“=”）
（3）用氨合成尿素的反应为2NH₃（g）+CO₂（g）?CO（NH₂）₂（s）+H₂O（g）．工业生产时，原料气带有水蒸气．图2表示CO₂的转化率与氨碳比$\frac{n（N{H}_{3}）}{n（C{O}_{2}）}$、水碳比$\frac{n（{H}_{2}O）}{n（C{O}_{2}）}$的变化关系．
①曲线Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ对应的水碳比最大的是Ⅲ．
②测得B点氨的转化率为30%，则x₁=4．
Ⅲ．有人设想以N₂和H₂为反应物，以溶有A的稀盐酸为电解质溶液，可制造出既能提供电能，又能固氮的新型燃料电池，装置如图3所示．
电池正极的电极反应式是N₂+8H⁺+6e^-=2NH₄⁺，A是氯化铵．

Answer 1

分析 Ⅰ．由图1可知热化学方程式分别为：
①CO（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═CO₂（g）△H=-akJ•mol^-1
②H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═H₂O（g）△H=-bkJ•mol^-1
③CH₄（g）+2O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-ckJ•mol^-1，然后根据盖斯定律来解答；
Ⅱ．（1）达到平衡状态时，正逆反应速率相等，各物质的浓度不变，以此判断．
（2）甲容器比乙容器中反应物的浓度小，反应速率比乙中小，故达到平衡所需要的时间更长，应用等效平衡的知识来分析比较c₁的c₂相对大小；
（3）①氨碳比相同时曲线Ⅰ二氧化碳的转化率大，所以生产中选用水碳比的数值为Ⅲ；
②根据氨气和二氧化碳的转化率之比求出x₁；
Ⅲ．电池正极发生还原反应，A是生成的氯化铵．

解答 解：Ⅰ．由图1可知热化学方程式分别为：
①CO（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═CO₂（g）△H=-akJ•mol^-1
②H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═H₂O（g）△H=-bkJ•mol^-1
③CH₄（g）+2O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-ckJ•mol^-1
由③-（①+②×3）得：CH₄（g）+H₂O（g）═CO（g）+3H₂（g）△H=+（a+3b-c）kJ•mol^-1，
故答案为：+（a+3b-c）kJ•mol^-1；
Ⅱ．（1）a．容器内N₂、H₂、NH₃的浓度之比为1：3：2，不能说明达到判断状态，取决于起始配料比和转化程度，故a错误；
b．当3v（N₂）_正=v（H₂）_逆时，才说明达到平衡状态，氨碳比相同时曲线Ⅰ二氧化碳的转化率大，所以生产中选用水碳比的数值为Ⅲ，故b错误；
c．容器内压强保持不变，可说明达到平衡状态，故c正确；
d．恒容时体积不变，质量不变，则混合气体的密度保持不变，不能达到平衡状态，故d错误．
故答案为：c；
（2）若为恒压容器，甲乙容器中达到平衡所用时间相同，为5min，但是容器恒容，甲容器比乙容器中反应物的浓度小，反应速率比乙中小，故达到平衡所需要的时间更长，即t＞5min，甲相当于在丙平衡的基础上，再充入1mol的氮气，根据平衡移动的原理，增加一种反应物平衡向减弱这种方向移动，但不抵消，所以甲氮的浓度大于丙，故答案为：＞；＞；
（3）①氨碳比相同时曲线Ⅰ二氧化碳的转化率大，所以生产中选用水碳比的数值为Ⅲ，故答案为：Ⅲ；
②由题意可知：2NH₃（g）+CO₂（g）?CO（NH₂）₂+H₂O（g）
起始量        x₁       1
变化量        2a       a
即：$\frac{2a}{{x}_{1}}$=$\frac{a}{1}$，$\frac{{x}_{1}}{2a}$=30%，$\frac{1}{a}$=60%，则x₁=4，
故答案为：4；
Ⅲ．电池正极发生还原反应，氮气得电子发生还原反应，N₂+8H⁺+6e^-=2NH₄⁺，A是铵根离子与氯离子结合形成氯化铵，故答案为：N₂+8H⁺+6e^-=2NH₄⁺；氯化铵．

点评 本题考查较为综合，涉及化学反应与能量、化学平衡状态的判断等，侧重于学生的分析能力和计算能力的考查，为高考常见题型和高频考点，注意利用三段式法计算，较为直观，难度不大．