Question

【題目】氨在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛，可由N2、H2合成NH3。

（1）天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化法是前獲取原料氣中H2的主流方法。CH4經(jīng)過兩步反應(yīng)完全轉(zhuǎn)化為H2和CO2，其能量變化示意圖如下：

結(jié)合圖像，寫出CH4通過蒸汽轉(zhuǎn)化為CO2和H2的熱化學(xué)方程式______________________。

（2）利用透氧膜，一步即獲得N2、H2，工作原理如圖所示（空氣中N2與O2的物質(zhì)的量之比按4∶1計）

①起還原作用的物質(zhì)是_________________________。

②膜I側(cè)所得氣體=2，CH4、H2O、O2反應(yīng)的化學(xué)方程式是______________________。

（3）甲小組模擬工業(yè)合成氨在一恒溫恒容的密閉容器中發(fā)生如下反應(yīng)：N2(g)+3H2(g)2NH3(g) ΔH< 0。t1時刻到達(dá)平衡后，在t2時刻改變某一條件，其反應(yīng)過程如圖所示，下列說法正確的是____________

A．Ⅰ、Ⅱ兩過程到達(dá)平衡時，平衡常數(shù)：KⅠ<KⅡ

B．Ⅰ、Ⅱ兩過程到達(dá)平衡時，NH3的體積分?jǐn)?shù)：Ⅰ<Ⅱ

C．Ⅰ、Ⅱ兩過程到達(dá)平衡的標(biāo)志：混合氣體密度不再發(fā)生變化

D．t2時刻改變的條件可以是向密閉容器中加N2和H2混合氣

（4）乙小組模擬不同條件下的合成氨反應(yīng)，向容器充入9.0molN2和23.0molH2，圖為不同溫度下平衡混合物中氨氣的體積分?jǐn)?shù)與總壓強(P)的關(guān)系圖。

①T1、T2、T3由大到小的排序為______________________________。

②在T2、60MPa條件下，比較A點v正___v逆（填“＞”、“＜”或“=”），理由是____________。

③計算T2、60Mpa平衡體系的平衡常數(shù)Kp=__________。（用平衡分壓代替平衡濃度計算，分壓=總壓x物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)）

Answer 1

【答案】 CH4(g)+2H2O(g)=CO2(g)+4H2(g) △H＝+165.4 kJ/mol CH4 10CH4+8H2O+O2=10CO+28H2 D T3>T2>T1 > 在T2、60Mpa 時A點未達(dá)到平衡時的體積分?jǐn)?shù),反應(yīng)向正向進(jìn)行,所以v(正)>v(逆) 0.043(MPa)-2或 0.0427(MPa)-2

【解析】(1)根據(jù)圖像得到熱化學(xué)方程式Ⅰ．CH4(g)+H2O(g)=CO(g)+3H2(g)△H=+206.4kJ/mol，Ⅱ．CO(g)+H2O(g)=CO2(g)+H2(g)△H=-41.0kJ/mol，結(jié)合蓋斯定律計算Ⅰ+Ⅱ得到1mol CH4(g)通過蒸汽轉(zhuǎn)化為CO2(g)和H2(g)的熱化學(xué)方程式：CH4(g)+2H2O(g)=CO2(g)+4H2(g)△H=+165.4 kJ/mol，故答案為：CH4(g)+2H2O(g)=CO2(g)+4H2(g)△H=+165.4kJ/mol；

(2)①甲烷中C失去電子生成CO，則起還原作用的物質(zhì)是CH4，故答案為：CH4；

②空氣中N2與O2的物質(zhì)的量之比為4：1，膜Ⅰ側(cè)所得氣體=2，氮氣在反應(yīng)前后不變，設(shè)氮氣為4mol，則生成氫氣為8mol，膜Ⅰ側(cè)發(fā)生的電極反應(yīng)式是H2O+2e-=H2+O2-、O2+4e-=2O2-，由膜I側(cè)反應(yīng)可知8molH2O得到16mol電子、1molO2得到4mol電子，共得到20mol電子，膜II上1molCH4中C失去6mol電子、H得到4mol電子，即1molCH4失去2mol電子，根據(jù)總反應(yīng)遵循電子守恒，需要10molCH4反應(yīng)，則反應(yīng)為10CH4+8H2O+O2=10CO+28H2，故答案為：10CH4+8H2O+O2=10CO+28H2；

(3)A、由圖象分析可知，平衡常數(shù)是溫度的函數(shù)，溫度不變平衡常數(shù)不變，故A錯誤；B、t2時刻改變條件后達(dá)到平衡時，逆反應(yīng)速率增大，不能說明平衡移動的方向，無法判斷氨氣體積分?jǐn)?shù)的變化，故B錯誤；C、容器的體積不變，氣體的質(zhì)量不變，氣體的密度始終不變，不能用于平衡的判斷，故C錯誤；D、t2時刻，向密閉容器中加H2和N2混合氣，氣體的壓強增大，逆反應(yīng)速率增大，故D正確；故選D；

(4)①N2(g)+3H2(g)2NH3(g) ΔH< 0，相同壓強下，升高溫度平衡逆向移動，氨氣的體積分?jǐn)?shù)減小，根據(jù)圖知，溫度由大到小的順序為T3>T2>T1，故答案為：T3>T2>T1；

②根據(jù)圖像，在T2、60MPa條件下，A點為達(dá)到平衡狀態(tài)，要達(dá)到平衡，反應(yīng)需要繼續(xù)正向進(jìn)行，因此v正＞v逆，故答案為：>；在 T2、 60Mpa 時A點未達(dá)到平衡時的體積分?jǐn)?shù),反應(yīng)向正向進(jìn)行,所以 v(正)>v(逆)；

③若體系在T2、60MPa下達(dá)到平衡，相同溫度下，氣體的體積分?jǐn)?shù)等于其物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)，

設(shè)平衡時n(NH3)=xmol，

N2(g) + 3H2(g)2NH3(g)

開始(mol) 9 23 0

反應(yīng)(mol) 0.5x 1.5x x

平衡(mol)9-0.5x 23-1.5x x

平衡時氨氣體積分?jǐn)?shù)=×100%=60%，解得x=12，氮氣分壓=×60MPa=9MPa；氨氣的分壓=60%×60MPa=36MPa，氫氣分壓=60MPa-9MPa-36MPa=15MPa，此時的平衡常數(shù)Kp==0.043(MPa)-2，故答案為：0.043(MPa)-2。