Question

合成氨技術的創立開辟了人工固氮的重要途徑，其研究來自正確的理論指導，合成氨反應的平衡常數K值和溫度的關系如下：

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

 
（1）①寫出工業合成氨的化學方程式_________________________________________。
②由上表數據可知該反應為放熱反應，理由是_____________________________________。
③理論上，為了增大平衡時H₂的轉化率，可采取的措施是。（填序號）
a．增大壓強              b．使用合適的催化劑
c．升高溫度              d．及時分離出產物中的NH₃
（2）原料氣H₂可通過反應 CH₄(g) + H₂O (g)CO(g) + 3H₂(g) 獲取，已知該反應中，當初始混合氣中的恒定時，溫度、壓強對平衡混合氣CH₄含量的影響如下圖所示：

①圖中，兩條曲線表示壓強的關系是：P₁________P₂（填“＞”、“＝”或“＜”）。
②該反應為_____________反應（填“吸熱”或“放熱”）。
（3）原料氣H₂還可通過反應CO(g) + H₂O(g)CO₂ (g) + H₂(g) 獲取。
①T ℃時，向容積固定為5 L的容器中充入1 mol水蒸氣和1 mol CO，反應達平衡后，測得CO的濃度為0.08 mol·L^-1，則平衡時CO的轉化率為______，該溫度下反應的平衡常數K值為_________。
②保持溫度仍為T ℃，改變水蒸氣和CO的初始物質的量之比，充入容器進行反應，下列描述能夠說明體系處于平衡狀態的是_____________（填序號）。
a．容器內壓強不隨時間改變
b．混合氣體的密度不隨時間改變
c．單位時間內生成a mol CO₂的同時消耗a mol H₂
d．混合氣中n(CO) : n(H₂O) : n(CO₂) : n(H₂) ＝ 1: 16 : 6 : 6

Answer 1

（1）①N₂ + 3H₂2 NH₃（2分） ② 隨溫度升高，反應的平衡常數K減小（2分）
③a、d（2分）   （2）①＜（2分）②吸熱（2分）
（3）①60 %（2分）   9/4或2.25（2分）   ②c和d（2分）

試題分析：（1）①工業上利用氮氣和氫氣在一定條件下發生化合反應制備氨氣，所以工業合成氨的化學方程式為N₂ + 3H₂2 NH₃。
②根據表中數據可知，隨著溫度的逐漸升高，平衡常數逐漸減小。這說明升高溫度平衡向逆反應方向移動，因此正方應是放熱反應。
③合成氨是體積減小的放熱的可逆反應，則a、增大壓強，平衡向正反應方向移動，氫氣的轉化率增大，a正確；b、催化劑只能改變反應速率，而不能改變平衡狀態，所以使用合適的催化劑不能改變氫氣的轉化率，b不正確；c、升高溫度，平衡向逆反應方向移動，氫氣的轉化率降低，c不正確；d、及時分離出產物中的NH₃，降低生成物濃度，平衡向正反應方向移動，氫氣轉化率增大，d正確，答案選ad。
（2）①根據方程式可知正方應是體積增大的可逆反應，因此增大壓強平衡向逆反應方向移動，甲烷的平衡含量增大。根據圖像可知，在溫度相同時P₂曲線對應的甲烷含量高，所以壓強關系是P₁＜P₂。
②根據圖像可知，在壓強恒定時，隨之溫度的升高，甲烷的含量降低。這說明升高溫度平衡向正反應方向移動，即正方應是吸熱反應。
（3）①            CO(g) + H₂O(g)CO₂ (g) + H₂(g)
起始濃度（mol/L）  0.2     0.2          0         0
轉化濃度（mol/L） 0.12    0.12         0.12      0.12
平衡濃度（mol/L） 0.08    0.08         0.12      0.12
所以根據化學平衡常數是在一定條件下，當可逆反應達到平衡狀態時，生成物濃度的冪之積和反應物濃度的冪之積的比值可知，該溫度下平衡常數K＝＝＝。
平衡時CO的轉化率＝×100%＝60%。
②在一定條件下，當可逆反應的正反應速率和逆反應速率相等時（但不為0），反應體系中各種物質的濃度或含量不再發生變化的狀態，稱為化學平衡狀態，據此可以判斷。A、該反應是體積不變的可逆反應，因此反應前后壓強始終是不變，所以容器內壓強不隨時間改變不能說明反應達到平衡狀態，a不正確；b、密度是混合氣的質量和容器容積的比值，在反應過程中質量和容積始終是不變的，即密度始終是不變的，所以混合氣體的密度不隨時間改變不能說明反應達到平衡狀態，b不正確；c、單位時間內生成a mol CO₂的同時必然同時生成amol氫氣，又因為消耗a mol H₂，這說明正逆反應速率相等，反應達到平衡狀態，c正確；d、混合氣中n(CO) : n(H₂O) : n(CO₂) : n(H₂) ＝ 1: 16 : 6 : 6，此時Q＝＝＝，所以反應達到平衡狀態，d正確，答案選cd。