Question

天然气是一种重要的清洁能源和化工原料，其主要成分为甲烷。

I.(1)已知：一定条件下可被甲烷还原“纳米级”的金属铁。其反应为：

①此反应的化学平衡常数表达式为______

②在容积均为VL的I、II、III三个相同密闭容器中加入足量，然后分别充入amol ，三个容器的反应温度分别为、、且恒定不变，在其他条件相同的情况下，实验测得反应均进行到t min时的体积分数如图1所示，此时I、II、III三个容器中一定处于化学平衡状态的是______；上述反应的______填“大于”或“小于”，该反应在______填“高温”、“低温”或“任意温度”下可自发进行。

利用天然气为原料的一种工业合成氨简式流程图如图2：

(1)步骤Ⅱ中制氢气的原理如下：Ⅰ；

Ⅱ；

①对于反应Ⅰ，在一定温度下的恒容容器中，表示其已达到最大化学反应限度的叙述正确的是______。

A.单位时间内 1mol  消耗，同时有 3mol  生成；

B.、、CO 的物质的量浓度相等；

C.混合气体的密度不再改变；

D.混合气体的压强不再改变。

②则反应 ；______ 用含 、 的代数式表示。

(2)合成氨是人类科学技术上的一项重大突破，反应原理为：在容积为 10L 的密闭容器中进行，起始时充入  、 反应在不同条件下进行，反应体系总压强随时间的变化如图3所示。

①实验 a 从开始至平衡时的反应速率 ______；实验 c 中  的平衡转化率  为______。

②与实验 a 相比，其他两组改变的实验条件是：b______，c______。

③M点的逆反应速率______ N点的正反应速率填“”、“”或“”；N点时再加入一定量，平衡后的体积分数______ 填“增大”、“减小”或“不变”。

Answer

Ⅲ 大于 高温 D 使用催化剂 增大压强 增大

【解析】

Ⅰ固相和气相均存在的反应，固相的浓度项不列入化学平衡常数表达式；根据图中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ图象，百分含量随温度的变化解答；根据温度对平衡的影响来判断，升高温度平衡正向移动，的含量增大，据此判断大小，再由焓变和熵变判断反应自发进行的条件；

Ⅱ在一定条件下，反应I达到最大反应限度时，说明反应达到化学平衡，各组分浓度不再改变，体系压强不再改变，正逆反应速率相等，据此逐项分析；根据反应Ⅰ和反应Ⅱ推导所求反应，由多重平衡规则计算该反应的化学平衡常数；

根据计算的消耗速率，根据转化率计算的平衡转化率；与实验a相比，实验b和实验a的平衡状态一致，实验b比实验a提前到达化学平衡，实验c的压强大于实验a的压强；实验c的压强大于实验a的压强，增大压强有利于增大化学反应速率，N点达到化学平衡状态，再加入一定量，促使化学平衡正向移动。

Ⅰ(1) ①固相和气相均存在的反应，固相的浓度项不列入化学平衡常数表达式，该反应的化学平衡常数表达式为：；

故答案为：；

在容积均为VL的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个相同密闭容器中加入足量“纳米级”的金属铁，然后分别充入，，根据图中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ图象，温度逐渐升高，三个容器中的百分含量没有呈整体上升的趋势，则其中肯定有一个达到了平衡，温度升高，反应速率加快，可知先达到平衡的是容器III前两个容器没有达到平衡，且随温度升高，百分含量下降，可知升高温度平衡正向进行，反应的大于0，反应气体分子数增多，熵增，即，反应放热，，所以反应在高温下自发；

故答案为：Ⅲ；大于；高温；

Ⅱ(1) ①单位时间内 1mol  消耗，必然同时有 3mol  生成，说明反应正向进行，并不能说明反应已经达到化学平衡，故A错误；、、CO 的物质的量浓度关系取决于反应物的充入量以及反应进行的程度，并不能通过三者物质的量浓度相等说明反应达到化学平衡，故B错误；混合气体的密度为，反应前后质量守恒，m不变，反应在恒容容器中进行，V不变，则整个过程混合气体密度不变，无法判断化学反应是否达到化学平衡，故C错误；反应前后气体分子数改变，体系压强发生变化，可以通过压强判断化学反应是否达到平衡，故D正确；

故答案为：D；

所求反应可由ⅠⅡ得到，根据多重平衡规则，所求反应的化学平衡常数为；

故答案为：；

实验a中，起始时体系压强为320kPa，平衡时体系压强为240kPa，

起始          0

转化   x            3x             2x

平衡               2x

则有，可得，

所以实验 a 从开始至平衡时的反应速率 ，

实验 c 中  的平衡转化率  为；

故答案为：；；

与实验a相比，实验b和实验a的平衡状态一致，实验b比实验a提前到达化学平衡，由此可判断实验b改变的条件是使用催化剂，

实验c的压强大于实验a的压强，由此可判断实验c改变的条件是增大压强；

故答案为：使用催化剂；增大压强；

实验c的压强大于实验a的压强，增大压强有利于增大化学反应速率，所以M点的逆反应速率点的正反应速率；N点达到化学平衡状态，再加入一定量，促使化学平衡正向移动，则平衡后的体积分数增大；

故答案为：；增大。