Question

9．化學反應原理在合成氨工業(yè)及氨的性質(zhì)研究中具有廣泛的應用．
（1）工業(yè)生產(chǎn)硝酸的第一步反應是氨的催化氧化反應，已知下列3個熱化學方程式（K為平衡常數(shù)）：
①4NH₃（g）+3O₂（g）?2N₂（g）+6H₂O（g）△H₁=-1266.8kJ•mol^-1  K₁
②N₂（g）+O₂（g）?2NO（g）△H₂=180.5kJ•mol^-1   K₂
③4NH₃（g）+5O₂（g）═4NO（g）+6H₂O（g）△H₃  K₃
則△H₃=-905.8kJ•mol^-1，K₃=K₁ •K₂²（用K₁、K₂表示）．
（2）工業(yè)合成氨所用的氫氣主要來自天然氣與水的反應，但這種原料氣中往往混有一氧化碳雜質(zhì)，工業(yè)生產(chǎn)中通過如下反應來除去原料氣中的CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H2 （g）△H＜0．
①一定條件下，反應達到平衡后，欲提高CO 的轉(zhuǎn)化率，可采取的措施有可降低溫度或增加水蒸氣的濃度、降低二氧化碳或氫氣的濃度等．
②在容積為2L的密閉容器中發(fā)生上述反應，其中c（CO）隨反應時間（t）的變化如圖甲中曲線Ⅰ，如果在t₀時刻將容器容積擴大至4L，請在圖甲中畫出t₀時刻后c（CO）隨反應時間（t）的變化曲線．

（3）氨氣的重要用途是合成尿素，一定條件下，NH₃和CO₂合成尿素的反應為2NH₃+CO₂?CO（NH₂）₂+H₂O．當加料比例n（NH₃）：n（CO₂）=4 時，CO₂的轉(zhuǎn)化率隨反應時間（t）的變化如圖乙所示，a點v_逆 （CO₂）＜b 點v_正（CO₂）（填“＞”、“＜”或“=”），NH₃的平衡轉(zhuǎn)化率為30%．
（4）硫酸工業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的尾氣可用氨水吸收，生成的（NH₄）₂SO₃再與硫酸反應，將生成的SO₂返回車間作生產(chǎn)硫酸的原料，而生成的（NH₄）₂SO₄可作肥料．常溫下，0.1mol•L^-1（NH₄）₂SO₄溶液中各離子濃度由大到小的順序是c（NH₄⁺）＞c（SO₄ ^2-）＞c（H⁺）＞c（OH^-）；若某工廠中使用的是室溫下0.1mol•L^-1的氨水，那么該氨水的pH=11.15．（已知K_b（NH₃•H₂O）=2.0×10^-5，$\sqrt{2}$=1.414，lg1.414=0.15）

Answer 1

分析 （1）根據(jù)蓋斯定律，①+②×2=③，據(jù)此計算反應熱，根據(jù)平衡常數(shù)的定義，兩反應相加得的平衡常數(shù)相乘，計量數(shù)擴大2倍，則平衡常數(shù)為原來的平方，據(jù)此答題；
（2）①反應CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H＜0，為氣體體積不變的放熱反應，根據(jù)影響平衡移動的因素答題；
②CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g），是一反應前后氣體體積不變的反應，當把2L容器中t₀時c（CO）=2.0mol/L，在t₀時刻將容器的體積擴大至4L，此時c（CO）=1.0mol/L，平衡不移動，各濃度未原平衡時的$\frac{1}{2}$；
（3）根據(jù)圖象可知，a點未達平衡，隨著時間的推移，CO₂的轉(zhuǎn)化率增大，即反應正向移動；根據(jù)轉(zhuǎn)化率=$\frac{已轉(zhuǎn)化的物質(zhì)的量}{起始的物質(zhì)的量}$×100%計算NH₃的平衡轉(zhuǎn)化率；
（4）（NH₄）₂SO₄溶液中銨根離子水解生成氫離子，溶液呈酸性，在溶液中存在平衡NH₃•H₂O?NH₄⁺+OH^-，根據(jù)K_b=$\frac{c（N{H}_{4}{\;}^{+}）•c（O{H}^{-}）}{c（NH{\;}_{3}•H{\;}_{2}O）}$，溶液中銨根離子與氫氧根離子近似相等，可得c（OH^-）=$\sqrt{K{\;}_•c（NH{\;}_{3}•H{\;}_{2}O）}$，據(jù)此計算．

解答 解：（1）根據(jù)蓋斯定律，①+②×2=③，所以△H₃=△H₁+2×△H₂=-1266.8kJ•mol^-1+2×180.5kJ•mol^-1=-905.8kJ•mol^-1，根據(jù)平衡常數(shù)的定義，兩反應相加得的平衡常數(shù)相乘，計量數(shù)擴大2倍，則平衡常數(shù)為原來的平方，所以K₃=K₁ •K₂²，
故答案為：-905.8kJ•mol^-1；K₁ •K₂²；
（2）①反應CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H＜0，為氣體體積不變的放熱反應，反應達到平衡后，欲提高CO 的轉(zhuǎn)化率，可降低溫度或增加水蒸氣的濃度、降低二氧化碳或氫氣的濃度等，
故答案為：可降低溫度或增加水蒸氣的濃度、降低二氧化碳或氫氣的濃度等；
②CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g），是一反應前后氣體體積不變的反應，當把2L容器中t₀時c（CO）=2.0mol/L，在t₀時刻將容器的體積擴大至4L，此時c（CO）=1.0mol/L，平衡不移動，各濃度未原平衡時的$\frac{1}{2}$，c（CO）與反應時間t變化曲線為：，
故答案為：；

（3）由CO₂的轉(zhuǎn)化率隨時間變化圖可知在A點時反應還未達到平衡狀態(tài)，反應仍將繼續(xù)正向進行，故v_逆（CO₂）小于B點平衡時的化學反應速率，設(shè)CO₂的初始物質(zhì)的量為a，則NH₃的初始物質(zhì)的量為4a，由圖可知，CO₂的轉(zhuǎn)化率為60%，故轉(zhuǎn)化的二氧化碳為a×60%=0.6a，根據(jù)方程式可知，轉(zhuǎn)化的NH₃的物質(zhì)的量為0.6a×2=1.2a，故平衡時氨氣的轉(zhuǎn)化率定為$\frac{1.2a}{4a}$×100%=30%，
故答案為：＜；30%；
（4）（NH₄）₂SO₄溶液中銨根離子水解生成氫離子，溶液呈酸性，在溶液中存在平衡NH₄⁺+H₂O?NH₃•H₂O+H⁺，所以（NH₄）₂SO₄溶液中各離子濃度由大到小的順序是c（NH₄⁺）＞c（SO₄ ^2-）＞c（H⁺）＞c（OH^-），根據(jù)K_b=$\frac{c（N{H}_{4}{\;}^{+}）•c（O{H}^{-}）}{c（NH{\;}_{3}•H{\;}_{2}O）}$，溶液中銨根離子與氫氧根離子近似相等，可得c（OH^-）=$\sqrt{K{\;}_•c（NH{\;}_{3}•H{\;}_{2}O）}$=$\sqrt{0.1×2.0×1{0}^{-5}}$mol•L^-1=1.414×10^-3 mol•L^-1，所以pH=-lg$\frac{1{0}^{-14}}{1.414×1{0}^{-3}}$=11+lg1.414=11.15，
故答案為：c（NH₄⁺）＞c（SO₄ ^2-）＞c（H⁺）＞c（OH^-）；11.15．

點評 本題較為綜合，從多個角度考查外界條件對化學平衡的影響、化學平衡圖象、化學平衡計算等，側(cè)重考查化學平衡移動在化學工藝中的應用以及化學平衡計算，題目難度中等．