Question

工業(yè)上以氨氣為原料(鉑銠合金網(wǎng)為催化劑)催化氧化法制硝酸的過(guò)程如下：

O2

（1）己知反應(yīng)一經(jīng)發(fā)生，鉑銠合金網(wǎng)就會(huì)處于紅熱狀態(tài)。寫(xiě)出氨催化氧化的化學(xué)方程式：______________________________________________；當(dāng)溫度升高時(shí)，該反應(yīng)的平衡常數(shù)K值___________(填“增大”、“減小”或“不變”)。
（2）硝酸廠尾氣常用的處理方法是催化還原法：催化劑存在時(shí)用H₂將NO₂還原為N₂。已知：
2H₂(g)+O₂(g)=2H₂O(g)   △H= a  kJ·mol^－1
N₂(g)+2O₂(g)=2NO₂(g)   △H= b  kJ·mol^－1
H₂O(1)=H₂O(g)         △H= c   kJ·mol^－1
則反應(yīng)2NO₂(g)+4H₂(g)=N₂(g)+4H₂O(1)的△H=_________。(用a、b、c表示)
（3）①合成氨反應(yīng)的化學(xué)方程式為N₂+3H₂2NH₃，該反應(yīng)在固定容積的密閉容器中進(jìn)行。下列各項(xiàng)標(biāo)志著該反應(yīng)達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)的是____________(填序號(hào))
A．容器內(nèi)N₂、H₂、NH₃的濃度之比為1∶3∶2
B．3v_正(N₂)=v_逆(H₂)
C．容器內(nèi)壓強(qiáng)保持不變
D．混合氣體的相對(duì)分子質(zhì)量保持不變
E．1mol N≡N鍵斷裂，同時(shí)1mol H—H鍵斷裂
②若在恒溫條件下，將N₂與H₂按一定比例混合通入一個(gè)容積為2L的密閉容器中，5min反應(yīng)達(dá)平衡，n(N₂)=1mol，n(H₂)=1mol，n(NH₃)=2mol，則反應(yīng)速率v(N₂)=________________，H₂的平衡轉(zhuǎn)化率=_________________；若保持容器的溫度不變，在10min時(shí)將容器的容積壓縮為lL，請(qǐng)?jiān)诖痤}卡坐標(biāo)圖中，畫(huà)出從反應(yīng)開(kāi)始至15min時(shí)c(NH₃)隨時(shí)間變化曲線(xiàn)示意圖。

Answer 1

（16分）
（1）4NH₃+5O₂4NO + 6H₂O  (2分)   減小(2分)
（2）(2a—b—4c)kJ/mol (2分，不寫(xiě)單位扣1分)
（3）①B C D(3分)
②0．1mol/(L·min)  (2分，不寫(xiě)或?qū)戝e(cuò)單位0分)   75%(2分)

（共3分，前10min的曲線(xiàn)1分；10~15min的曲線(xiàn)2分，到達(dá)平衡的時(shí)間應(yīng)小于15min，NH₃平衡濃度小于2．67 mol/L）

試題分析：（1）氨氣具有還原性，與氧氣在催化劑加熱作用下發(fā)生反應(yīng)，生成一氧化氮和水，該反應(yīng)是氧化還原反應(yīng)、可逆反應(yīng)、放熱反應(yīng)，氮元素由—3升為+2價(jià)，氧元素由0降為—2價(jià)，根據(jù)最小公倍數(shù)法配平，則4NH₃+5O₂4NO + 6H₂O；由于升高溫度平衡向吸熱方向移動(dòng)，正反應(yīng)是放熱反應(yīng)，則升高溫度平衡向逆反應(yīng)方向移動(dòng)，則生成物濃度減小，反應(yīng)物濃度增大，所以重新平衡時(shí)生成物濃度冪之積與反應(yīng)物濃度冪之積的比值減小，即升高溫度時(shí)該反應(yīng)的平衡常數(shù)K減小；（2）先將4個(gè)熱化學(xué)方程式分別編號(hào)為①②③④，由于①×2—②—③×4=④，根據(jù)蓋斯定律，則④的焓變=①的焓變×2—②的焓變—③的焓變×4=(2a—b—4c)kJ/mol；（3）①容器內(nèi)各組分濃度等于化學(xué)方程式的系數(shù)比，不能說(shuō)明反應(yīng)達(dá)到平衡，因?yàn)楦鹘M分變化濃度之比一定等于系數(shù)之比，而平衡濃度不一定等于系數(shù)之比，各組分濃度不隨時(shí)間改變而改變才能說(shuō)明達(dá)到平衡，故A錯(cuò)誤；同一物質(zhì)表示的正、逆反應(yīng)速率相等，不同物質(zhì)表示的正、逆反應(yīng)速率之比等于化學(xué)方程式中對(duì)應(yīng)系數(shù)之比時(shí)，都能說(shuō)明反應(yīng)達(dá)到平衡，v_正(N₂)/v_逆(H₂)=1/3，則3v_正(N₂)=v_逆(H₂)，故B正確；合成氨是氣體物質(zhì)的量減小的反應(yīng)，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，容器內(nèi)混合氣體的物質(zhì)的量逐漸減小，則壓強(qiáng)也逐漸減小，當(dāng)混合氣體總的物質(zhì)的量保持不變或壓強(qiáng)不變時(shí)，說(shuō)明反應(yīng)達(dá)到平衡，故C正確；由于各組分都是氣體，因此混合氣體的總質(zhì)量始終不變，M=m/n=Mrg/mol，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，由于混合氣體的總物質(zhì)的量逐漸減小，則混合氣體摩爾質(zhì)量逐漸減小或相對(duì)分子質(zhì)量逐漸減小，當(dāng)混合氣體物質(zhì)的量不變或相對(duì)分子質(zhì)量不變時(shí)，反應(yīng)達(dá)到平衡，故D正確；N≡N鍵斷裂、H—H鍵斷裂都是正反應(yīng)速率，故E錯(cuò)誤；②由于氮?dú)狻�氫氣的起始物質(zhì)的量未知，所以不能直接用定義式求氮?dú)獗硎镜乃俾剩�而氨氣是生成物，起始時(shí)為0，則v(NH₃)== =0.2mol/(L?min)；由于v(N₂)/ v(NH₃)=1/2，則v(N₂)= 0.1mol/(L?min)；設(shè)氮?dú)狻�氫氣的起始物質(zhì)的量分別為xmol、ymol，則它們的起始濃度分別為x/2mol/L、y/2mol/L，則：
N₂ +  3H₂   2NH₃
起始濃度/ mol·L^－1         x/2     y/2        0
變化濃度/ mol·L^－1         1/2     3/2        1
平衡濃度/ mol·L^－1         1/2     1/2        1
則x/2—1/2=1/2，y/2—3/2=1/2，解得：x=2，y=4
氫氣的平衡轉(zhuǎn)化率=×100%=×100%=75%。
畫(huà)圖要點(diǎn)：①t=0時(shí)，氨氣濃度為0；t=5min，氨氣濃度為1mol/L；0<t<5min時(shí)，氨氣濃度逐漸增大；5min≤t<10min時(shí)，氨氣濃度始終為1mol/L；②t=10min時(shí)，由于容器容積縮小1半，則反應(yīng)物、生成物濃度立即增大一倍，則氨氣濃度變?yōu)?mol/L；③縮小容器容積，就是增大壓強(qiáng)，反應(yīng)速率增大，達(dá)到平衡的時(shí)間大約是起始時(shí)達(dá)到平衡時(shí)間的一半，因此達(dá)到平衡的時(shí)間約為5/2min；若正反應(yīng)能進(jìn)行到底，氮?dú)膺^(guò)量，4mol氫氣最多可以生成8/3mol氨氣，由于可逆反應(yīng)不能進(jìn)行到底，則濃度一定小于8/3mol/L≈2.67mol/L；10min<t≤12.5min時(shí)，由于正反應(yīng)是氣體體積減小的反應(yīng)，增大壓強(qiáng)平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，所以氨氣濃度從2mol/L逐漸增大到2.5mol/L左右；④12.5min<t≤15min時(shí)，氨氣濃度始終為2.5mol/L左右。