Question

12．H₂是重要的化工原料，在工业生产和科学研究中具有重要地位，回答下列问题：
（1）如何获得廉价的氢气是合成氨工业中的重要课题．目前常用戊烷跟水蒸气反应的方法获得氨气：
  C₅H₁₂（g）+5H₂O（g）$\frac{\underline{\;催化剂\;}}{高温}$5CO（g）+11H₂（g）
已知几个反应的能量变化如图所示，则上述反应的△H=c-5a-11bkJ•mol^-1．

（2）利用氢气合成氨的反应原理为：3H₂（g）+N₂（g）$\frac{\underline{\;高温、高压\;}}{催化剂}$2NH₃（g）现有甲、乙、丙3个固定容积为2L的密闭容器，在相同温度和催化剂条件下，按不同的反应物投入量进行合成氨反应，相关数据如下表示：

容器	甲	乙	丙
反应物投入量	2molH2、2molN2	4molH2、4molN2	2molNH3
平衡时N2的浓度（mol•L-1）	c1	1.5	C3
N2的体积分数	w 1	w 2	w 3
混合气体的密度（g•L-1）	?ρ1	?ρ2	?ρ3?

①下列描述不能说明该反应已达到平衡状态的是a（填序号）
a．容器内混合气体的密度保持不变   
b.3v _正（N₂）=v _逆（H₂）
c．容器内混合气体的平均相对分子质量保持不变
②乙容器中的反应在20min后达到平衡，这段时间内NH₃的平均反应速率v（NH₃）=0.05mol•L^-1•min^-1，该温度下，反应的平衡常数K=5.33L²•mol^-2（结果保留3位有效数字）；
③分析上表中的数据，下列关系正确的是ac（填序号）．
a．c₁＞c₃                 b．w ₁＜w ₂            c．ρ₂＞ρ₁＞ρ_3???_???_?
④在合成氨工业中，为了提高反应物的利用率，除了要提供适宜的温度、压强和使用催化剂外，还要采取的措施是将产物混合气中的氨冷却分离后，剩余气体循环使用．
（3）一定条件下存在反应：H₂（g）+I₂（g）?2HI（g）△H＜0，现有甲、乙两个完全相同的恒容绝热密闭容器，在甲中充入1molH₂和1molI₂（g），在乙中充入2molHI（g）．同时在700℃条件下开始反应，达到平衡时有关说法正确的是
①容器甲中气体的正反应速率比容器乙中的快（填“快”、“慢”或“相同”）
②容器甲中气体的平衡常数比容器乙中的小（填“大”、“小”或“相等”）
③容器甲中气体的颜色比容器乙中的深（填“深”、“浅”或“相同”）

Answer 1

分析 （1）由可知：
①CO（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=CO₂（g）△H=-aKJ•mol；
②H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=H₂O（g）△H=-bKJ•mol；
③C₅H₁₂（g）+8O₂（g）=5CO₂（g）+6H₂O（g）△H=-cKJ•mol，由盖斯定律可知C₅H₁₂（g）+5H₂O（g） $\frac{\underline{催化剂}}{△}$5CO（g）+11H₂（g）△H=5①+11②-③；
（2）①化学反应达到平衡状态时，正逆反应速率相等，各物质的浓度不再改变，由此衍生的一些物理量也不变，结合反应的特点进行分析；
②3H₂（g）+N₂（g） $\frac{\underline{\;\;催化剂\;\;}}{高温高压}$2NH₃（g）
初起（mol•L^-1）：2               2                      0
变化（mol•L^-1）：1.5          0.5                   1
平衡（mol•L^-1）：0.5           1.5                  1
根据v=$\frac{△c}{△t}$计算，平衡常数等于平衡时生成物浓度幂之积比上反应物浓度幂之积；
③a．丙相当在甲的基础上减少氢气，平衡逆向移动，氮气的浓度增大，所以c_l＞c₃； 
b．乙相当在甲基础上增大压强，平衡正向移动，所以w_l＞w₂；
c．根据ρ=$\frac{m}{V}$，体积相同，气体的质量越大密度越大，m_乙＞m_甲＞m_丙，所以ρ₂＞ρ₁＞ρ₃；
④将产物混合气中的氨冷却分离后，剩余气体循环使用，也可以使平衡正向移动，提高反应物的利用率；
（3）①容器甲中从正反应开始到达平衡，容器乙中从逆反应开始到达，平衡建立的途径不相同；
②温度相同时，甲乙两容器中达到的平衡相同，平衡常数相同，但绝热容器乙中所到达的平衡状态，相当于在容器甲中平衡的基础上降低温度，平衡向正反应移动；
③容器乙中所到达的平衡状态，相当于在容器甲中平衡的基础上降低温度，平衡向正反应移动．

解答 解：（1）由可知：
①CO（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=CO₂（g）△H=-aKJ•mol；
②H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=H₂O（g）△H=-bKJ•mol；
③C₅H₁₂（g）+8O₂（g）=5CO₂（g）+6H₂O（g）△H=-cKJ•mol，由盖斯定律可知C₅H₁₂（g）+5H₂O（g） $\frac{\underline{催化剂}}{△}$5CO（g）+11H₂（g）△H=5①+11②-③=c-5a-11b，
故答案为：c-5a-11b；
（2）①a．容器内混合气体的密度一直保持不变，不能作平衡的标志，故选；
b．3v_正（N₂）=v_正（H₂）═v_逆（H₂），达平衡状态，故不选；
c．容器内混合气体的平均相对分子质量保持不变，说明气体的物质的量不变，反应达平衡状态，故不选；
故答案为：a；
②3H₂（g）+N₂（g） $\frac{\underline{\;\;催化剂\;\;}}{高温高压}$2NH₃（g）
初起（mol•L^-1）：2               2                         0
变化（mol•L^-1）：1.5           0.5                      1
平衡（mol•L^-1）：0.5           1.5                     1
根据v（NH₃）=$\frac{1mol/L}{20min}$=0.05mol•L^-1•min^-1，
K=$\frac{{1}^{2}}{0．{5}^{3}×1.5}$=5.33，
故答案为：0.05；5.33；
③a．丙相当在甲的基础上减少氢气，平衡逆向移动，氮气的浓度增大，所以c_l＞c₃，故正确； 
b．乙相当在甲基础上增大压强，平衡正向移动，所以w_l＞w₂，故错误；
c．根据ρ=$\frac{m}{V}$，体积相同，气体的质量越大密度越大，m_乙＞m_甲＞m_丙，所以ρ₂＞ρ₁＞ρ₃，故正确；
故答案为：ac；
④将产物混合气中的氨冷却分离后，剩余气体循环使用，也可以使平衡正向移动，提高反应物的利用率，
故答案为：将产物混合气中的氨冷却分离后，剩余气体循环使用；
（3）①容器甲中从正反应开始到达平衡，容器乙中从逆反应开始到达，平衡建立的途径不相同，反应速率，甲正反应速率大于乙，故答案为：快；
B．温度相同时，甲乙两容器中达到的平衡相同，平衡常数相同，但绝热容器乙中所到达的平衡状态，相当于在容器甲中平衡的基础上降低温度，平衡向正反应移动，K（甲）＜K（乙），故答案为：小；
C．容器乙中所到达的平衡状态，相当于在容器甲中平衡的基础上降低温度，平衡向正反应移动，故容器甲中的气体颜色比容器乙中的气体颜色深，故答案为：深．

点评 本题考查学生盖斯定律的应用、化学平衡移动及平衡常数与计算、合成氨条件的选择等，题目难度中等，关键是三行式的应用，要求学生要有扎实的基础知识和灵活应用知识解决问题的能力．