Question

9．氨的合成是最重要的化工生產(chǎn)之一．
（1）工業(yè)上可用甲烷與水反應得到合成氨用的H₂：其熱化學反應方程式為CH₄（g）+H₂O（g）$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$CO（g）+3H₂（g）△H₄，已知有關反應的能量變化如圖1所示：

則△H₄=（a+3c-b）kJ•mol^-1（用a、b、c表示）
（2）在2個恒壓的密閉容器中，同溫度下、使用相同催化劑分別進行反應：3H₂（g）+N₂（g）$?_{催化劑}^{高溫高壓}$2NH₃（g），按不同方式投入反應物，保持恒溫，反應達到平衡時有關數(shù)據(jù)為：

容 器	甲	乙
反應物投入量	3mol H2、2mol N2	6mol H2、4mol N2
達到平衡的時間（min）	t	5
平衡時N2的濃度（mol•L-1）	3	c

①甲容器達到平衡所需要的時間t=5min（填“＞”、“＜”或“=”，下同）；乙容器達到平衡時N₂的濃度c=3mol•L^-1．
②圖2中虛線為該反應在使用催化劑條件下，關于起始N₂與H₂投料比和H₂平衡轉化率的關系圖．當其他條件完全相同時，用實線畫出不使用催化劑情況下H₂平衡轉化率的示意圖．

Answer 1

分析 （1）圖1中各反應的熱化學方程式為：
①CO（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=CO₂（g）△H=-akJ/mol
②CH₄（g）+2O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-bkJ/mol
③H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=H₂O（g）△H=-ckJ/mol
由蓋斯定律②-③×3-①得到：CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂ （g），焓變也進行相應的計算；
（2）①在2個恒壓的密閉容器中，且溫度相同，則甲、乙中對應各組分的濃度相等，故反應速率相等；二者為等效平衡，平衡時對應各組分的濃度相同；
②催化劑加快反應速率，縮短到達平衡的時間，不影響平衡移動，氫氣的轉化率不變，即不使用催化劑到達平衡時間較長．

解答 解：（1）圖1中各反應的熱化學方程式為：
①CO（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=CO₂（g）△H=-akJ/mol
②CH₄（g）+2O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-bkJ/mol
③H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=H₂O（g）△H=-ckJ/mol
由蓋斯定律②-③×3-①得到：CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂ （g），故△H₄=（a+3c-b）kJ•mol^-1，
故答案為：（a+3c-b）kJ•mol^-1；
（2）①在2個恒壓的密閉容器中，且溫度相同，則甲、乙中對應各組分的濃度相等，故反應速率相等，即甲容器達到平衡所需要的時間t=5min；二者為等效平衡，平衡時對應各組分的濃度相同，即乙容器達到平衡時N₂的濃度c=3mol•L^-1，
故答案為：=；=；
②催化劑加快反應速率，縮短到達平衡的時間，不影響平衡移動，氫氣的轉化率不變，即不使用催化劑到達平衡時間較長，用實線畫出不使用催化劑情況下H₂平衡轉化率的示意圖為：，
故答案為：．

點評 本題屬于拼合型題目，涉及運用蓋斯定律計算反應熱、等效平衡、催化劑對平衡移動與化學反應速率的影響等，需要學生具備扎實的基礎與分析解決問題能力，難度中等．