Question

8．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，且方法②的反应只能在高温下发生，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） $?_{催化剂}^{高温、高压}$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
N2的体积分数	ω1	ω2	ω3
混合气体密度（g•L-1）	ρ1	ρ2

（1）下列能说明该反应已达到平衡状态的是
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 （填＞、＜或=）
（3）乙中从反应开始到平衡时N₂的平均反应速率0.2mol•L^-1•min^-1（注明单位）．
（4）分析上表数据，下列关系正确的是c．
a．2c₁=3mol/L         b．ω₁=ω₂       c． 2ρ₁=ρ₂
（5）该温度下，容器乙中，该反应的平衡常数K=$\frac{4}{81}$（用分数表示）（mol/L）^-2．
（6）常温下NH₄⁺（aq）+H₂O（l）?NH₃•H₂O（aq）+H⁺（aq）的化学平衡常数为5.55×10^-10 mol•L^-1，则NH₃•H₂O的电离平衡常数K=1.80×10^-5mol•L^-1（保留三位有效数字）．已知草酸的电离常数为：Ka₁=5.9×10^-2  Ka₂=6.4×10^-5，则草酸氢铵的水溶液中离子浓度由大到小的顺序是：c（NH₄⁺）＞c（HC₂O₄^-）＞c（H⁺）＞c（C₂O₄^2-）＞c（OH^-）．
Ⅲ．（1）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1所示．
电池正极的电极反应式是N₂+6e^-+8H⁺=2NH₄⁺，A是NH₄Cl．

（2）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40%，则x₁3．

Answer 1

分析 Ⅰ．分别根据图1、图2、图3写出热化学方程式，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；
（3）先计算出用氮气表示的反应速率，然后利用化学计量数关系计算出用氢气表示的反应速率；
（4）先将丙中的数据按照化学计量数转化成反应物氮气、氢气的物质的量，然后利用等效平衡知识进行分析；
（5）计算出反应前氮气、氢气的物质的量浓度，然后利用化学平衡三段式计算出达到平衡时各组分的浓度，最后根据化学平衡常数表达式计算出该温度下的平衡常数；
（6）根据平衡常数和水的离子积常数综合求解，比较两种离子对应的弱电解质的电离度的大小确定溶液的酸碱性；
Ⅲ．（1）电池正极发生还原反应，A是生成的氯化铵；
（2）①依据反应转化率的大小分析，结合图象分析判断；
②根据氨气和二氧化碳的转化率之比求出x₁．

解答 解：Ⅰ．图1、图2、图3写出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；
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，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，故答案为：＞；
（3）容器乙中，反应前氮气的浓度为：$\frac{4mol}{1L}$=4mol/L，氮气的平均反应速率为：v（N₂）=$\frac{4mol/L-3mol/L}{5min}$=0.2mol•L^-1•min^-1，
故答案为：0.2 mol•L^-1•min^-1；
（4）恒温、恒容条件下：
a．假设乙容器的容积为2L，则达到平衡时甲乙为等效平衡，各组分的含量、浓度相等，此时氮气的浓度为c₁，然后将容器的容积缩小到2L，若平衡不移动，2c₁=3mol/L，由于压强增大，平衡向着正向移动，所以2c₁＞3mol/L，故a错误；    
b．乙中加入了4mol氮气、6mol氢气，而甲中为3mol H₂、2mol N₂，故乙对甲来说相当于加压，平衡右移，氮气的体积分数减小，所以ω₂＜ω₁，故b错误；
c．反应前后都是气体，容器的容积都是2L，乙中混合气体的质量为甲的2倍，根据ρ=$\frac{m}{V}$可知：2ρ₁=ρ₂，故c正确；
故选c，
故答案为：c；
（5）乙容器中，反应前氢气浓度为：c（H₂）=$\frac{6mol}{1L}$=4mol/L，氮气的浓度为：$\frac{4mol}{1L}$=4mol/L，达到平衡时氮气的浓度变化为：（4-3）=1mol/L，
    由三段式可知：3H₂ （g）+N₂（g）?2NH₃（g）
反应前（mol/L）：6             4             0
浓度变化（mol/L）：3           1            2
反应后：（mol/L）：3           3           2
在该温度下乙容器中反应的平衡常数K=$\frac{{2}^{2}}{{3}^{3}×3}$=$\frac{4}{81}$，
故答案为：$\frac{4}{81}$；
（6）NH₄⁺（aq）+H₂O（l）?NH₃•H₂O（aq）+H⁺（aq）平衡常数的表达式为：K=$\frac{c（{H}^{+}）×c（N{H}_{3}•{H}_{2}O）}{c（N{{H}_{4}}^{+}）}$=$\frac{c（{H}^{+}）×c（N{H}_{3}•{H}_{2}O）}{c（N{{H}_{4}}^{+}）}$×$\frac{c（O{H}^{-}）}{c（O{H}^{-}）}$=$\frac{Kw}{Kb}$=5.55×10^-10mol•L^-1，所以Kb=1.80×10^-5mol•L^-1，因为Ka₁=5.9×10^-2＞Kb，所以草酸氢铵的水溶液中，呈酸性，所以离子浓度的大小顺序为：c（NH₄⁺）＞c（HC₂O₄^-）＞c（H⁺）＞c（C₂O₄^2-）＞c（OH^-），
故答案为：1.80×10^-5mol•L^-1；c（NH₄⁺）＞c（HC₂O₄^-）＞c（H⁺）＞c（C₂O₄^2-）＞c（OH^-）；  
Ⅲ．（1）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；
（2）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
$\frac{{x}_{1}}{2a}$=$\frac{1}{a}$=40%，
则x₁=3，
故答案为：3．

点评 本题考查较为综合，涉及化学反应与能量、化学平衡的影响因素、化学平衡、速率的计算等，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，题目难度中等．