Question

4．NH₃和CO₂是兩種重要的化工原料．
（1）一定溫度下，在恒容密閉容器中發(fā)生反應：N₂+3H₂?2NH₃．該可逆反應達到化學平衡的標志是bd（填正確選項的編號）．
a.3v（H₂）_正=2v（NH₃）_逆
b．單位時間生成mmolN₂的同時消耗3mmolH₂
c．混合氣體的密度不再隨時間變化　　　
d．$\frac{c（{N}_{2}）•{c}^{3}（{H}_{2}）}{{c}^{2}（N{H}_{3}）}$不再隨時間變化
（2）CO₂和NH₃可用于合成尿素[CO（NH₂）₂]，反應原理如下：：
①CO₂（g）+2NH₃（g）=H₂NCOONH₄（s），△H=-159.47kJ/mol
②H₂NCOONH₄（s）=CO（NH₂）₂（s）+H₂O（l）△H=+28.49kJ/mol，
若總反應放熱261.96kJ，則反應的CO₂是2mol．
（3）最近科學家們研制成功一種新型催化劑，將CO₂轉變?yōu)榧淄椋��?.01×l0⁵Pa、300℃條件下，CO₂與H₂以1：4體積比發(fā)生該反應，平衡時CO₂轉化率達90%．
①此反應的化學方程式是CO₂+4H₂$?_{新型催化劑}^{300℃}$CH₄+2H₂O；
②如圖為一定條件下，在體積為VL的反應容器中發(fā)生①反應時，CH₄物質的量與反應時間的變化關系．反應的平衡常數(shù)表達式為K=$\frac{c（C{H}_{4}）{c}^{2}（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）{c}^{4}（{H}_{2}）}$，正反應是放熱反應（填“放熱反應”或“吸熱反應”）；300℃時，從反應開始至恰好達到平衡，以H₂的濃度變化表示的化學反應速率是$\frac{4{n}_{A}}{V{t}_{A}}$mol/（L•min）（用n_A、t_A、V表示）．500℃時，若將處于平衡狀態(tài)的反應容器體積增加到2V L，化學平衡將向逆反應（填“正反應”或“逆反應”）方向移動，判斷的理由是反應容器體積增大，壓強減小，化學平衡向氣體體積增大的方向進行，逆反應是氣體體積增大的反應．

Answer 1

分析 （1）反應達到平衡狀態(tài)時，正逆反應速率相等，平衡時各種物質的物質的量、濃度等不再發(fā)生變化，可由此進行判斷；
（2）結合熱化學方程式和蓋斯定律計算得到熱化學方程式，依據(jù)熱化學方程式定量關系計算；
（3）①在300℃、新型催化劑的作用下，一氧化碳與氫氣反應生成甲烷和水；
②根據(jù)化學平衡常數(shù)為生成物的濃度冪之積除以反應物的濃度冪之積列平衡常數(shù)的表達式，溫度越高甲烷物質的量越小，說明升溫平衡逆向進行；
升高溫度平衡甲烷的變化判斷平衡常數(shù)的變化；
 反應速率之比等于化學方程式計量數(shù)之比，化學反應速率是υ（H₂）=4υ（CH₄）計算，
500℃時，若將處于平衡狀態(tài)的反應容器體積增加到2V L，壓強減小，平衡向氣體體積增大的方向進行，

解答 解：（1）N₂+3H₂?2NH₃．反應是氣體體積減小的放熱反應，
a．反應速率之比等于化學方程式計量數(shù)之比為正反應速率，2v（H₂）_正=3v（NH₃）_逆，說明氨氣正逆反應速率相同，反應達到平衡狀態(tài)，3v（H₂）_正=2v（NH₃）_逆 ，不能說明正逆反應速率相同，故a錯誤；
b．單位時間生成mmolN₂的同時消耗3mmolH₂ ，能說明氫氣正逆反應速率相同反應達到平衡狀態(tài)，故b正確；
c．反應前后氣體質量不變，體積不變，混合氣體的密度不再隨時間變化，不能說明反應達到平衡狀態(tài)，故c錯誤；　　　
d．$\frac{c（{N}_{2}）•{c}^{3}（{H}_{2}）}{{c}^{2}（N{H}_{3}）}$為該反應的平衡常數(shù)的倒數(shù)，平衡常數(shù)隨溫度變化，$\frac{c（{N}_{2}）•{c}^{3}（{H}_{2}）}{{c}^{2}（N{H}_{3}）}$不再隨時間變化說明反應達到平衡狀態(tài)，故d正確；
故答案為：bd；
（2）CO₂和NH₃可用于合成尿素[CO（NH₂）₂]，反應原理如下：：
①CO₂（g）+2NH₃（g）=H₂NCOONH₄（s），△H=-159.47kJ/mol
②H₂NCOONH₄（s）=CO（NH₂）₂（s）+H₂O（l）△H=+28.49kJ/mol，
蓋斯定律計算①+②得到：CO₂（g）+2NH₃（g）=CO（NH₂）₂（s）+H₂O（l）△H=-130.98KJ/mol
若總反應放熱261.96kJ，則反應的CO₂=$\frac{261.96KJ}{130.98KJ}$×1mol=2mol，
故答案為：2；
（3）新型催化劑，將CO₂轉變?yōu)榧淄椋��?.01×l0⁵Pa、300℃條件下，CO₂與H₂以1：4體積比發(fā)生該反應，
①在300℃、新型催化劑的作用下，一氧化碳與氫氣反應生成甲烷和水，方程式為：CO₂+4H₂$?_{新型催化劑}^{300℃}$CH₄+2H₂O，
故答案為：CO₂+4H₂$?_{新型催化劑}^{300℃}$CH₄+2H₂O；
②化學平衡常數(shù)為生成物的濃度冪之積除以反應物的濃度冪之積，CO₂+4H₂$?_{新型催化劑}^{300℃}$CH₄+2H₂O；反應物和生成物都是氣體，平衡常數(shù)表達式為K=$\frac{c（C{H}_{4}）{c}^{2}（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）{c}^{4}（{H}_{2}）}$，
由圖象可知升高溫度甲烷的物質的量減少，平衡向逆反應方向移動，K減小，正反應為放熱反應，
υ（H₂）=4υ（CH₄）=$\frac{\frac{4{n}_{A}}{V}}{{t}_{A}}$=$\frac{4{n}_{A}}{V{t}_{A}}$，
CO₂+4H₂$?_{新型催化劑}^{300℃}$CH₄+2H₂O，反應容器體積增大，壓強減小，化學平衡向氣體體積增大的方向進行，逆反應是氣體體積增大的反應，
故答案為：$\frac{c（C{H}_{4}）{c}^{2}（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）{c}^{4}（{H}_{2}）}$；放熱反應；$\frac{4{n}_{A}}{V{t}_{A}}$mol/（L•min）；逆反應；反應容器體積增大，壓強減小，化學平衡向氣體體積增大的方向進行，逆反應是氣體體積增大的反應．

點評 本題考查化學平衡的影響因素、化學平衡的標志、蓋斯定律的應用及平衡常數(shù)計算等問題，難度中等．側重考查學生分析和解決問題的能力．