Question

氨的合成是最重要的化工生產之一。

Ⅰ．工業(yè)上合成氨用的H2有多種制取的方法：

① 用焦炭跟水反應：C(s) + H2O(g)  CO(g) + H2(g)；

② 用天然氣跟水蒸氣反應：CH4(g) + H2O(g)  CO(g)+ 3H2(g)

已知有關反應的能量變化如下圖，且方法②的反應只能在高溫下發(fā)生，

則方法②中反應的ΔH =___________ kJ/moL。

Ⅱ．在3個1L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)  2NH3(g)，按不同方式投入反應物，保持恒溫、恒容，反應達到平衡時有關數據為：

容 器	甲	乙	丙
反應物投入量	3 mol H2、2 mol N2	6 mol H2、4mol N2	2 mol NH3
達到平衡的時間（min）	t	5	8
平衡時N2的濃度（mol·L-1）	c1	3
N2的體積分數	ω1	ω2	ω3
混合氣體密度（g·L-1）	ρ1	ρ2

(1) 下列能說明該反應已達到平衡狀態(tài)的是

a．容器內N2、H2、NH3的濃度之比為1︰3︰2    b．v(N2)正＝3v(H2)逆   

    c．容器內壓強保持不變                         d．混合氣體的密度保持不變

(2) 甲容器中達到平衡所需要的時間t    5min (填>、< 或=)

(3) 乙中從反應開始到平衡時N2的平均反應速率                 (注明單位)。

(4) 分析上表數據，下列關系正確的是________.

a．2c1 = 3mol/L         b．ω1 = ω2       c． 2ρ1 = ρ2    

(5) 該溫度下，容器乙中，該反應的平衡常數K=__________（用分數表示）(mol/L)－2。
(6) 常溫下NH4＋(aq) + H2O(l)  NH3•H2O(aq) + H＋(aq)的化學平衡常數為5.55×10—10 mol·L—1，則NH3•H2O的電離平衡常數K=                 (保留三位有效數字)。已知草酸的電離常數為：Ka1=5.9×10—2  Ka2=6.4×10—5，則草酸氫銨的水溶液中離子濃度由大到小的順序是：________________________________________。
Ⅲ．(1)有人設想以N2和H2為反應物，以溶有A的稀鹽酸為電解質溶液，可制造出既能提供電能，又能固氮的新型燃料電池，裝置如圖1所示。
電池正極的電極反應式是                             ，A是             。

(2)用氨合成尿素的反應為2NH3(g) + CO2(g)  CO(NH2)2(s)+ H2O(g)。工業(yè)生產時，原料氣帶有水蒸氣。圖2表示CO2的轉化率與氨碳比、水碳比的變化關系。
①曲線Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ對應的水碳比最大的是                     。
②測得B點氨的轉化率為40%，則x1                        。

Answer 1

【知識點】反應熱和焓變、反應速率、化學平衡常數的含義、化學平衡狀態(tài)的判斷

【答案解析】  Ⅰ．ΔH =+(a+3b—c) (2分)

Ⅱ．(1)  c  (1分)      (2)  t > 5  (1分)    (3)  0.2 mol·L—1·min—1(1分，無單位0分)

(4)  c (1分)    (5)  K= 4/81(2分)    (6) 1.80×10—5mol·L-1(1分，無單位0分)

 C(NH4+)＞C(HC2O4—)＞C(H+)＞C(C2O42—)＞C(OH—)  (2分)

Ⅲ．(1) N2 + 6e— + 8H+ ＝ 2NH4+ (1分)；NH4Cl (1分)    (2) Ⅲ(1分)；3 (1分)

 解析：：Ⅰ．圖1、圖2、圖3寫出熱化學方程式分別為：
①CO（g）+1/2 O2（g）═CO2（g）△H=-akJ•mol-1
②H2（g）+1/2 O2（g）═H2O（g）△H=-bkJ•mol-1
③CH4（g）+2O2（g）═CO2（g）+2H2O（g）△H=-ckJ•mol-1，
由③-（①+②×3）得：CH4（g）+H2O（g）═CO（g）+3H2（g）△H=+（a+3b-c）kJ•mol-1，

Ⅱ．（1）a．容器內N2、H2、NH3的濃度之比為1：3：2，不能說明達到判斷狀態(tài)，取決于起始配料比和轉化程度，故a錯誤；
b．當3v（N2）正=v（H2）逆時，才說明達到平衡狀態(tài)，故b錯誤；
c．容器內壓強保持不變，可說明達到平衡狀態(tài)，故c正確；
d．恒容時體積不變，質量不變，則混合氣體的密度保持不變，不能達到平衡狀態(tài)，故d錯誤．
故答案為：c；
（2）若為恒壓容器，甲乙容器中達到平衡所用時間相同，為5min，但是容器恒容，甲容器比乙容器中反應物的濃度小，反應速率比乙中小，故達到平衡所需要的時間更長，即t＞5min，故答案為：＞；
（3）容器乙中，反應前氮氣的濃度為：4mol÷1L=4mol/L，氮氣的平均反應速率為：v（N2）=(4-3)mol/L÷5min=0.2mol•L-1•min-1，

（4）恒溫、恒容條件下：
a．假設乙容器的容積為2L，則達到平衡時甲乙為等效平衡，各組分的含量、濃度相等，此時氮氣的濃度為c1，然后將容器的容積縮小到2L，若平衡不移動，2c1=3mol/L，由于壓強增大，平衡向著正向移動，所以2c1＞3mol/L，故a錯誤；    
b．乙中加入了4mol氮氣、6mol氫氣，而甲中為3mol H2、2mol N2，故乙對甲來說相當于加壓，平衡右移，氮氣的體積分數減小，所以ω2＜ω1，故b錯誤；
c．反應前后都是氣體，容器的容積都是2L，乙中混合氣體的質量為甲的2倍，根據ρ=m/V

可知：2ρ1=ρ2，故c正確；

（5）乙容器中，反應前氫氣濃度為：c（H2）=6mol÷1L=6mol/L，氮氣的濃度為：4mol÷1L=4mol/L，達到平衡時氮氣的濃度變化為：（4-3）=1mol/L，
    由三段式可知：3H2 （g）+N2（g）⇌2NH3（g）
反應前（mol/L）：  6           4            0
濃度變化（mol/L）：3           1            2
反應后：（mol/L）：3            3           2
在該溫度下乙容器中反應的平衡常數K=22/(33×3)=4/81；

（6）NH4＋(aq) + H2O(l)  NH3•H2O(aq) + H＋(aq)的化學平衡常數為

C(NH3•H2O)·C(H＋)/C(NH4＋)=5.55×10—10 mol·L—1，NH3•H2O的電離平衡常數

K= C(NH4＋)·C(OH-)/C(NH3•H2O)=Kw/5.55×10—10=1.80×10—5mol·L-1；由已知知銨根的水解常數為5.55×10—10、，草酸的二級電離常數Ka2=6.4×10—5，水解小于電離，溶液顯酸性。所以溶液中C(NH4+)＞C(HC2O4—)＞C(H+)＞C(C2O42—)＞C(OH—)

Ⅲ．(1)電池正極發(fā)生還原反應，氮氣得電子發(fā)生還原反應，N2+8H++6e-=2NH4+，A是銨根離子與氯離子結合形成氯化銨；

（2）①氨碳比相同時曲線Ⅰ二氧化碳的轉化率大，所以生產中選用水碳比的數值為Ⅲ，故答案為：Ⅲ；
②由題意可知：2NH3（g）+CO2（g）⇌CO（NH2）2+H2O（g）
   起始量          x1           1
   變化量          2a          a
即：2a/x1＝40%， a/1＝60%，則x1=3，

【思路點撥】本題考本題考查較為綜合，涉及化學反應與能量、化學平衡的影響因素、化學平衡、速率的計算等，側重于學生的分析能力和計算能力的考查，為高考常見題型和高頻考點，注意利用三段式法計算，較為直觀。