Question

【題目】氨在工農業生產中應用廣泛，可由N2、H2合成NH3。

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

結合圖像，寫出CH4通過蒸汽轉化為CO2和H2的熱化學方程式______________________。

（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的物質的量之比按4∶1計）

①起還原作用的物質是_________________________。

②膜I側所得氣體=2，CH4、H2O、O2反應的化學方程式是______________________。

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

A．Ⅰ、Ⅱ兩過程到達平衡時，平衡常數：KⅠ<KⅡ

B．Ⅰ、Ⅱ兩過程到達平衡時，NH3的體積分數：Ⅰ<Ⅱ

C．Ⅰ、Ⅱ兩過程到達平衡的標志：混合氣體密度不再發生變化

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，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數與總壓強(P)的關系圖。

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Kp=__________。（用平衡分壓代替平衡濃度計算，分壓=總壓x物質的量分數）

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點未達到平衡時的體積分數,反應向正向進行,所以v(正)>v(逆) 0.043(MPa)-2或 0.0427(MPa)-2

【解析】(1)根據圖像得到熱化學方程式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，結合蓋斯定律計算Ⅰ+Ⅱ得到1mol CH4(g)通過蒸汽轉化為CO2(g)和H2(g)的熱化學方程式：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是CH4，故答案為：CH4；

②空氣中N2與O2的物質的量之比為4：1，膜Ⅰ側所得氣體=2，氮氣在反應前后不變，設氮氣為4mol，則生成氫氣為8mol，膜Ⅰ側發生的電極反應式是H2O+2e-=H2+O2-、O2+4e-=2O2-，由膜I側反應可知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，根據總反應遵循電子守恒，需要10molCH4反應，則反應為10CH4+8H2O+O2=10CO+28H2，故答案為：10CH4+8H2O+O2=10CO+28H2；

(3)A、由圖象分析可知，平衡常數是溫度的函數，溫度不變平衡常數不變，故A錯誤；B、t2時刻改變條件后達到平衡時，逆反應速率增大，不能說明平衡移動的方向，無法判斷氨氣體積分數的變化，故B錯誤；C、容器的體積不變，氣體的質量不變，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，氨氣的體積分數減小，根據圖知，溫度由大到小的順序為T3>T2>T1，故答案為：T3>T2>T1；

②根據圖像，在T2、60MPa條件下，A點為達到平衡狀態，要達到平衡，反應需要繼續正向進行，因此v正＞v逆，故答案為：>；在 T2、 60Mpa 時A點未達到平衡時的體積分數,反應向正向進行,所以 v(正)>v(逆)；

③若體系在T2、60MPa下達到平衡，相同溫度下，氣體的體積分數等于其物質的量分數，

設平衡時n(NH3)=xmol，

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

開始(mol) 9 23 0

反應(mol) 0.5x 1.5x x

平衡(mol)9-0.5x 23-1.5x x

平衡時氨氣體積分數=×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Kp==0.043(MPa)-2，故答案為：0.043(MPa)-2。