Question

已知：N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H=-92.4kJ/mol，這是目前普遍使用的人工固氮的方法．請(qǐng)回答下列問(wèn)題：
（1）450℃時(shí)，往一個(gè)2L的密閉容器中充入2.6mol H₂和1mol N₂，反應(yīng)過(guò)程中對(duì)NH₃的濃度進(jìn)行檢測(cè)，得到的數(shù)據(jù)如下表所示：

時(shí)間/min	5	10	15	20	25	30
c（NH3）/mol?L-1	0.08	0.14	0.18	0.20	0.20	0.20

①5min內(nèi)，消耗N₂的平均反應(yīng)速率為_(kāi)_____，此條件下該反應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù)K=______；反應(yīng)達(dá)到平衡后，若往平衡體系中加入H₂、N₂和NH₃各2mol，此時(shí)該反應(yīng)的v（N₂）_正______v（N₂）_逆（填寫(xiě)“＞”、“=”或“＜”=）．
②下列各項(xiàng)能作為判斷該反應(yīng)達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)的依據(jù)是______（填序號(hào)字母）
A．容器內(nèi)N₂、H₂、NH₃的濃度之比為1：3：2
B．v（N₂）_正=3v（H₂）_逆         C．容器內(nèi)壓強(qiáng)保持不變
D．混合氣體的密度保持不變      E．容器內(nèi)混合氣體的平均分子量不變
③若改變某一條件，達(dá)新平衡時(shí)n（H₂）=1.60mol，下列說(shuō)法正確的是______．
A．平衡一定正向移動(dòng)            B．可能是向容器中加入了一定量的H₂氣體
C．可能是降低了容器的溫度      D．可能是縮小了容器的體積
（2）450℃時(shí)，在另一密閉容器中進(jìn)行上述合成氨的反應(yīng)，各物質(zhì)的起始濃度和平衡濃度如下表所示：

	N2	H2	NH3
起始濃度（mol/L）	0.2	0.3	0.2
平衡濃度（mol/L）	a	b	c

請(qǐng)回答：
①各物質(zhì)的平衡濃度可能是______．
A．c=0.5mol/L   B．b=0.5mol/L     C．c=0.4mol/L   D．a(chǎn)=0.3mol/L
②a的取值范圍是：______．
③請(qǐng)用數(shù)學(xué)表達(dá)式表示下列量之間的關(guān)系：
（I）a與b的關(guān)系：______．
（Ⅱ）a、b、c的關(guān)系：______．
（3）根據(jù)最新“人工固氮”的研究報(bào)道，在常溫、常壓、光照條件下，N₂在催化劑（摻有少量Fe₂O₃的TiO₂）表面與水可發(fā)生下列反應(yīng)：2N₂（g）+6H₂O（l）?4NH₃（g）+3O₂（g），此反應(yīng)的△S______0（填“＞”、“＜”或“=”），△H=______．（已知：H₂的燃燒熱為285.8kJ/mol）

Answer 1

【答案】分析：（1）①根據(jù)化學(xué)平衡三段式計(jì)算，確定反應(yīng)達(dá)到平衡各物質(zhì)的變化量和反應(yīng)達(dá)到化學(xué)平衡時(shí)各物質(zhì)的濃度；進(jìn)而計(jì)算速率和平衡常數(shù)；
②根據(jù)平衡狀態(tài)的判斷依據(jù)判斷；只要滿足正反應(yīng)速率等于逆反應(yīng)速率，即可判斷；
③依據(jù)氫氣增大的因素和平衡移動(dòng)進(jìn)行分析判斷；
（2）依據(jù)極值轉(zhuǎn)化，找到各物質(zhì)的濃度范圍進(jìn)行分析判斷；利用平衡常數(shù)計(jì)算分析abc的關(guān)系；
（3）依據(jù)熵變的含義結(jié)合反應(yīng)中氣體體積變化分析判斷；依據(jù)蓋斯定律進(jìn)行分析計(jì)算，通過(guò)合并熱化學(xué)方程式得到焓變；
解答：解：（1）①根據(jù)題意列式計(jì)算，從表中分析可知，20min時(shí)反應(yīng)已達(dá)平衡，C（NH₃）=0.20mol/L
根據(jù)反應(yīng)            N₂ +3H₂ 2NH₃
初始濃度（mol/L）：0.5  1.3        0
變化濃度（mol/L）：0.1  0.3       0.2
平衡濃度（mol/L）：0.4  1.0       0.2
5min內(nèi)，氨氣生成濃度為0.08mol/L，則氮?dú)獾南�耗濃度�?.04mol/L；消耗N₂的平均反應(yīng)速率=
=0.008mol/L?min
K===0.1（L/mol）²
反應(yīng)達(dá)到平衡后，若往平衡體系中加入H₂、N₂和NH₃各2mol，此時(shí)氮?dú)狻�氫氣、氨氣的濃度分別為：
0.4+1=1.4mol/L、1.0+1=2mol/L、0.2+1=1.2mol/L；計(jì)算濃度商
Q===0.13（L/mol）²
Q＞K，平衡向逆向進(jìn)行，v（N₂）_正＜v（N₂）_逆
故答案為：0.008mol．L^-1．min^-1；  0.1；＜
 ②A、是速率之比，反應(yīng)過(guò)程中按照比例進(jìn)行反應(yīng)，故A不能判斷該反應(yīng)達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)；
B、按照速率之比等于系數(shù)之比，表述的是正反應(yīng)速率，當(dāng)某種物質(zhì)的正反應(yīng)速率和逆反應(yīng)速率相等是表明反應(yīng)達(dá)到平衡，所以當(dāng)3v（N₂）_正=v（H₂）_逆  時(shí)反應(yīng)達(dá)到平衡，故B不能判斷該反應(yīng)達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)；
C、反應(yīng)是體積變化的反應(yīng)，當(dāng)容器內(nèi)壓強(qiáng)保持不變，說(shuō)明反應(yīng)達(dá)到平衡，故C能判斷該反應(yīng)達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)；
D、反應(yīng)體系內(nèi)質(zhì)量守恒，體積一定，故混合氣體的密度不變，所以混合氣體的密度保持不變，不能說(shuō)明反應(yīng)達(dá)到平衡，故D不能判斷該反應(yīng)達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)；
E、此反應(yīng)是反應(yīng)前后氣體體積改變的反應(yīng)，容器內(nèi)氣體質(zhì)量不變，氣體總物質(zhì)的量不變，容器內(nèi)混合氣體的平均分子量不變，能說(shuō)明反應(yīng)達(dá)到平衡，故E能判斷該反應(yīng)達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)；
故答案為：CE；
③若改變某一條件，達(dá)新平衡時(shí)n（H₂）=1.60mol，說(shuō)明氫氣增大，可能是改變條件平衡逆向進(jìn)行，增加氫氣的量；
A、平衡不一定正向進(jìn)行，增大氫氣的量可以符合，故A錯(cuò)誤；
B、可能是向容器中加入了一定量的H₂氣體，使氫氣量增大，故B正確；
C、該反應(yīng)是放熱反應(yīng)，降低了容器的溫度，平衡向正反應(yīng)方向進(jìn)行，氫氣的量減少，故C錯(cuò)誤；
D、縮小容器的體積，相當(dāng)于增大壓強(qiáng)，平衡向氣體體積減小的方向進(jìn)行，該反應(yīng)正向是氣體體積減少的反應(yīng)，所以縮小體積，平衡正向進(jìn)行，氫氣的量減少，但體積減小帶來(lái)的濃度增大比平衡移動(dòng)帶來(lái)氫氣的減少程度大，最終可以是氫氣量增大，故D正確；
故答案為：CE；BD；
（2）依據(jù)平衡計(jì)算的方法列式討論
                   N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）
起始量（mol/L）   0.2       0.3       0.2 
變化量（mol/L）
平衡量（mol/L）     a       b         c
反應(yīng)正向進(jìn)行則     0.1      0         0.4
反應(yīng)逆向進(jìn)行則     0.3      0.6       0
所以平衡時(shí)濃度的取值范圍：0.1＜a＜0.3    0＜b＜0.6    0＜c＜0.4
①只有B符合；
②a的取值范圍是0.1＜a＜0.3；
③利用極值轉(zhuǎn)化進(jìn)行計(jì)算
                  N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）
起始量（mol/L）   0.2       0.3       0.2 
平衡量（mol/L）     a       b         c
極值轉(zhuǎn)化          a+0.5c    b+1.5c    0
 a+0.5c=0.2       b+1.5c=0.3；整理得   
（Ⅰ）a與b的關(guān)系為  3a=b+0.3
（Ⅱ）a、b、c的關(guān)系 溫度變化．平衡常數(shù)不變，K=0.1，根據(jù)平衡常數(shù)計(jì)算式代入得到：c²/（a×b³）=0.1
故答案為：①B； ②0.1＜a＜0.3； ③（ I ）3a=b+0.3；（Ⅱ）c²/（a×b³）=0.1；
（3）2N₂（g）+6H₂O（l）?4NH₃（g）+3O₂（g），此反應(yīng)是氣體體積增大的反應(yīng)，所以是熵增大的反應(yīng)，
故反應(yīng)的△S＞0；
①N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H=-92.4kJ/mol；氫氣的燃燒熱285.8kJ/mol，反應(yīng)的熱化學(xué)方程式為②H₂（g）+O₂（g）=H₂O（l）△H=-285.8kJ/mol
以上兩熱化學(xué)方程式消去氫氣合并，①×2+②×6得到熱化學(xué)方程式為：2N₂（g）+6H₂O（l）?4NH₃（g）+3O₂（g）△H=+1530kJ/mol
故答案為：＞；+1530 kJ/mol．
點(diǎn)評(píng)：本題考查了化學(xué)平衡的計(jì)算，速率、平衡常數(shù)的計(jì)算，平衡狀態(tài)的判斷依據(jù)和方法，影響平衡的因素分析，蓋斯定律的應(yīng)用，關(guān)鍵是極值法在化學(xué)平衡中的應(yīng)用，題目綜合性強(qiáng)，較難．