Question

5．工業(yè)上合成氨的反應(yīng)：N₂（g）+3H₂（g）═2NH₃（g）△H=-92.60kJ•mol^-1．
（1）在絕熱、容積固定的密閉容器中發(fā)生反應(yīng)：N₂（g）+3H₂（g）═2NH₃（g），下列說法能說明上述反應(yīng)向正反應(yīng)方向進(jìn)行的是②④（填序號(hào)）．
①單位時(shí)間內(nèi)生成2n mol NH₃的同時(shí)生成3n mol H₂
②單位時(shí)間內(nèi)生成6n mol N-H鍵的同時(shí)生成2n mol H-H鍵
③用N₂、H₂、NH₃的物質(zhì)的量濃度變化表示的反應(yīng)速率之比為1：3：2
④混合氣體的平均摩爾質(zhì)量增大
⑤容器內(nèi)的氣體密度不變
（2）已知合成氨反應(yīng)在某溫度下2L的密閉容器中進(jìn)行，測得如下數(shù)據(jù)：

時(shí)間（h） 物質(zhì)的量（mol）	0	1	2	3	4
N2	1.50	n1	1.20	n3	1.00
H2	4.50	4.20	3.60	n4	3.00
NH3	0	0.20		1.00	1.00

根據(jù)表中數(shù)據(jù)計(jì)算：
①反應(yīng)進(jìn)行到2h時(shí)放出的熱量為27.66 kJ．
②此溫度下該反應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù)K=0.15（保留兩位小數(shù)）．
③反應(yīng)達(dá)到平衡后，若往平衡體系中再加入N₂、H₂和NH₃各1.00mol，化學(xué)平衡將向正反應(yīng)方向移動(dòng)（填“正反應(yīng)”或“逆反應(yīng)”或“不移動(dòng)”）．
④有甲、乙兩個(gè)完全相同的容器，向甲容器中加入1mol N₂ （g）和6mol H₂ （g），在一定條件下達(dá)到平衡時(shí)的熱效應(yīng)（吸熱或放熱）為Q，在相同條件下向乙容器中加入2mol NH₃ （g）和3mol H₂ （g），達(dá)到平衡時(shí)的熱效應(yīng)（放熱或吸熱）為4Q．則甲容器中H₂的轉(zhuǎn)化率為10%．

Answer 1

分析 （1）在絕熱、容積固定的密閉容器中發(fā)生反應(yīng)：N₂（g）+3H₂（g）═2NH₃（g），隨反應(yīng)進(jìn)行溫度升高，平衡逆向進(jìn)行，
①單位時(shí)間內(nèi)生成2n mol NH₃的同時(shí)生成3n mol H₂ ，此時(shí)正逆反應(yīng)速率相同；
②單位時(shí)間內(nèi)生成6n mol N-H鍵，是指生成2molNH₃，同時(shí)生成2n mol H-H鍵，說明是生成2molH₂，氫氣生成少于氨氣生成；
③用N₂、H₂、NH₃的物質(zhì)的量濃度變化表示的反應(yīng)速率之比始終為1：3：2；
④反應(yīng)前后氣體質(zhì)量不變，正反應(yīng)氣體物質(zhì)的量減小，混合氣體的平均摩爾質(zhì)量增大；
⑤氣體質(zhì)量和體積不變，容器內(nèi)的氣體密度始終不變；
（2）①依據(jù)反應(yīng)的焓變結(jié)合化學(xué)方程式計(jì)算放出的熱量；
②根據(jù)3、4小時(shí)的時(shí)間段氨氣的物質(zhì)的量不變，說明達(dá)到了平衡狀態(tài)，根據(jù)氨氣的物質(zhì)的量計(jì)算出消耗的氮?dú)夂蜌錃獾奈镔|(zhì)的量及平衡時(shí)的濃度，
再根據(jù)平衡常數(shù)表達(dá)式K=$\frac{{C}^{2}（N{H}_{3}）}{c（{N}_{2}）{c}^{3}（{H}_{2}）}$計(jì)算出該溫度下的平衡常數(shù)；
③根據(jù)加入氨氣、水和氨氣后的濃度商判斷平衡移動(dòng)方向；
④由于1molN₂和6molH₂完全反應(yīng)可以生成2molNH₃，在相同條件下向乙容器中加入2mol NH₃ （g）和3mol H₂ （g），極值轉(zhuǎn)化為起始量，相當(dāng)于起始量為1molN₂和6molH₂，所以甲乙兩個(gè)體系的平衡狀態(tài)是一樣的，即對(duì)應(yīng)氣體的濃度完全相同． 對(duì)于同一可逆反應(yīng)，相同條件下，正反應(yīng)的反應(yīng)熱與逆反應(yīng)的反應(yīng)熱，數(shù)值相等，符號(hào)相反，N₂和H₂完全反應(yīng)時(shí)放熱Q，則NH₃完全分解時(shí)吸熱也是Q，根據(jù)三段式利用x表示出平衡時(shí)甲容器內(nèi)反應(yīng)混合物各組分的物質(zhì)的量為 N₂（1-x ）mol、H₂（6-3x ）mol、NH₃2xmol，放出熱量Q₁=xQkJ；則乙容器反應(yīng)混合物各組分的物質(zhì)的量也是為 N₂（1-x ）mol、H₂（6-3x ）mol、NH₃2xmol，所以分解的NH₃的物質(zhì)的量為（2-2x）mol，吸收熱量（1-x）QkJ，利用Q₂=4Q₁，列放出求出x的值，轉(zhuǎn)化的H₂為3x，利用轉(zhuǎn)化率定義計(jì)算；

解答 解：（1）在絕熱、容積固定的密閉容器中發(fā)生反應(yīng)：N₂（g）+3H₂（g）═2NH₃（g），隨反應(yīng)進(jìn)行溫度升高，平衡逆向進(jìn)行，
①單位時(shí)間內(nèi)生成2n mol NH₃的同時(shí)生成3n mol H₂ ，此時(shí)正逆反應(yīng)速率相同，反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，故①不符合；
②單位時(shí)間內(nèi)生成6n mol N-H鍵的同時(shí)生成2n mol H-H鍵，氫氣生成少于氨氣生成，平衡正向進(jìn)行，故②符合；
③用N₂、H₂、NH₃的物質(zhì)的量濃度變化表示的反應(yīng)速率之比始終為1：3：2，不能說明反應(yīng)正向進(jìn)行，故③不符合；
④反應(yīng)前后氣體質(zhì)量不變，氣體物質(zhì)的量減小，當(dāng)混合氣體的平均摩爾質(zhì)量增大，說明反應(yīng)正向進(jìn)行，故④符合；
⑤氣體質(zhì)量和體積不變，容器內(nèi)的氣體密度始終不變，不能說明反應(yīng)正向進(jìn)行，故⑤不符合；
故答案為：②④；
（2）①N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H=-92.60kJ•mol^-1，生成2mol氨氣放熱92.60kJ，反應(yīng)進(jìn)行到2小時(shí)時(shí)，氮?dú)獾奈镔|(zhì)的量變化了1.5mol-1.2mol=0.3mol，則生成氨氣0.6mol，放出的熱量為$\frac{92.6}{2}$kJ×0.6=27.78kJ，
故答案為：27.78；
②根據(jù)表中數(shù)據(jù)可知，反應(yīng)在第3和4小時(shí)時(shí)間段內(nèi)氨氣的物質(zhì)的量不變，說明達(dá)到了平衡狀態(tài)，此時(shí)生成了1.00mol氨氣，
列出化學(xué)平衡的三段式為  N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g），
 反應(yīng)開始前（mol）     1.5      4.5      0
變化量（mol）          0.5     1.5       1
平衡時(shí)（mol）          1       3         1  
平衡時(shí)濃度（mol/L）   0.500     1.500     0.5
此溫度下該反應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù)K=$\frac{{C}^{2}（N{H}_{3}）}{c（{N}_{2}）{c}^{3}（{H}_{2}）}$=$\frac{0．{5}^{2}}{1．{5}^{3}×0.5}$≈0.15，
故答案為：0.15；
③反應(yīng)達(dá)到平衡后，若往平衡體系中再加入N₂、H₂O、NH₃各1mol，此時(shí)各組分的濃度為：
c（N₂）=$\frac{1.00mol+1.00mol}{2.00L}$=1.00mol/L，c（H₂）=$\frac{3.00mol+1.00mol}{2.00L}$=2.00mol/L，c（N₂）=$\frac{1.00mol+1.00mol}{2.00L}$=1.00mol/L，
濃度商為：Qc=$\frac{{C}^{2}（N{H}_{3}）}{c（{N}_{2}）{c}^{3}（{H}_{2}）}$
=$\frac{1.0{0}^{2}}{2.0{0}^{3}×1.00}$=0.125＜k=0.15，所以平衡向著正向移動(dòng)，
故答案為：正反應(yīng)．
由于1molN₂和3molH₂完全反應(yīng)可以生成2molNH₃，所以甲乙兩個(gè)體系的平衡狀態(tài)是一樣的，即三種氣體的濃度完全相同，對(duì)于同一可逆反應(yīng)，相同條件下，正反應(yīng)的反應(yīng)熱與逆反應(yīng)的反應(yīng)熱，數(shù)值相等，符號(hào)相反．N₂和H₂完全反應(yīng)時(shí)放熱Q，則NH₃完全分解時(shí)吸熱也是Q，
④假設(shè)甲容器中的參加反應(yīng)的氮?dú)獾奈镔|(zhì)的量為xmol，所以：
對(duì)于甲容器：N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H=-QkJ/mol
起始（mol）：1      6        0
變化（mol）：x      3x       2x
平衡（mol）：1-x    6-3x     2x
所以Q₁=xQkJ，
乙容器反應(yīng)混合物各組分的物質(zhì)的量也是為N₂（1-x ）mol、H₂（6-3x ）mol、NH₃2xmol，所以分解的NH₃的物質(zhì)的量為（2-2x）mol，
對(duì)于乙容器：2NH₃（g）?N₂（g）+3H₂（g）△H=+QkJ/mol，故吸收的熱量Q₂=$\frac{2-2x}{2}$QkJ=（1-x）QkJ，所以（1-x）Q=4xQ，解得x=0.2，所以H₂的轉(zhuǎn)化率為$\frac{0.2mol×3}{6mol}$×100%=10%，故答案為：10%；

點(diǎn)評(píng) 本題考查了蓋斯定律的應(yīng)用、反應(yīng)熱的計(jì)算、化學(xué)平衡常數(shù)的計(jì)算與應(yīng)用、化學(xué)反應(yīng)速率與化學(xué)計(jì)量數(shù)的關(guān)系等知識(shí)，涉及的知識(shí)點(diǎn)較多，試題綜合性強(qiáng)，難度較大，有利于培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維能力和發(fā)散思維能力，提高學(xué)生的應(yīng)試能力和學(xué)習(xí)效率．