Question

氨在工农业生产中应用广泛，可由N₂、H₂合成NH₃。

（1）天然气蒸汽转化法是前获取原料气中H₂的主流方法。CH₄经过两步反应完全转化为H₂和CO₂，其能量变化示意图如下：

结合图像，写出CH₄通过蒸汽转化为CO₂和H₂的热化学方程式______________________。

（2）利用透氧膜，一步即获得N₂、H₂，工作原理如图所示（空气中N₂与O₂的物质的量之比按4∶1计）

①起还原作用的物质是_________________________。

②膜I侧所得气体=2，CH₄、H₂O、O₂反应的化学方程式是______________________。

（3）甲小组模拟工业合成氨在一恒温恒容的密闭容器中发生如下反应：N₂(g)+3H₂(g)2NH₃(g) ΔH＜0。t₁时刻到达平衡后，在t₂时刻改变某一条件，其反应过程如图所示，下列说法正确的是____________

A．Ⅰ、Ⅱ两过程到达平衡时，平衡常数：K_Ⅰ＜K_Ⅱ

B．Ⅰ、Ⅱ两过程到达平衡时，NH₃的体积分数：Ⅰ＜Ⅱ

C．Ⅰ、Ⅱ两过程到达平衡的标志：混合气体密度不再发生变化

D．t₂时刻改变的条件可以是向密闭容器中加N₂和H₂混合气

（4）乙小组模拟不同条件下的合成氨反应，向容器充入9.0mol N₂ 和23.0mol H₂，图为不同温度下平衡混合物中氨气的体积分数与总压强(P )的关系图。

①T₁、T₂、T₃由大到小的排序为______________________________。

②在T₂、60MPa条件下，比较A点v_正___v_逆（填“＞”、“＜”或“=”），理由是____________。

③计算T₂、60Mpa平衡体系的平衡常数Kp=__________。（用平衡分压代替平衡浓度计算，分压=总压x物质的量分数）

Answer

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 时A点未达到平衡时的体积分数,反应向正向进行,所以v(正)＞v(逆) 0.043(MPa)-2或 0.0427(MPa)-2

【解析】

(1)根据图像得到热化学方程式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，结合盖斯定律计算Ⅰ+Ⅱ得到1mol CH4(g)通过蒸汽转化为CO2(g)和H2(g)的热化学方程式：CH4(g)+2H2O(g)=CO2(g)+4H2(g)△H=+165.4 kJ/mol，故答案为CH4(g)+2H2O(g)=CO2(g)+4H2(g)△H=+165.4 kJ/mol；

(2)①甲烷中C元素的化合价升高，则起还原作用的物质是CH4，故答案为CH4；

②空气中N2与O2的物质的量之比为4：1，膜Ⅰ侧所得气体=2，氮气在反应前后不变，设氮气为4mol，则生成氢气为8mol，膜Ⅰ侧发生的电极反应式是H2O+2e-=H2+O2-、O2+4e-=2O2-，由膜I侧反应可知8molH2O得到16mol电子、1molO2得到4mol电子，共得到20mol电子，膜II上1molCH4中C失去6mol电子、H得到4mol电子，即1molCH4失去2mol电子，根据总反应遵循电子守恒，需要10molCH4反应，则反应为10CH4+8H2O+O2=10CO+28H2，故答案为10CH4+8H2O+O2=10CO+28H2；

(3)A、由图象分析可知，平衡常数是温度的函数，温度不变平衡常数不变，故A错误；

B、t2时刻改变条件后达到平衡时，逆反应速率增大，不能说明平衡移动的方向，无法判断氨气体积分数的变化，故B错误；

C、容器的体积不变，气体的质量不变，气体的密度始终不变，不能用于平衡的判断，故C错误；

D、t2时刻，向密闭容器中加H2和N2混合气，气体的压强增大，逆反应速率增大，故D正确；

故选D；

(4)①N2(g)+3H2(g)2NH3(g) ΔH＜ 0，相同压强下，升高温度平衡逆向移动，氨气的体积分数减小，根据图知，温度由大到小的顺序为T3＞T2＞T1；

②根据图像，在T2、60MPa 条件下，A点为达到平衡状态，要达到平衡，反应需要继续正向进行，因此v 正 ＞v 逆，故答案为>；在 T2、 60Mpa 时A点未达到平衡时的体积分数,反应向正向进行,所以 v(正)＞v(逆)；

③若体系在T2、60MPa下达到平衡，相同温度下，气体的体积分数等于其物质的量分数，

设平衡时n(NH3)=xmol，

              N2(g) + 3H2(g)⇌2NH3(g)

开始(mol) 9            23             0

反应(mol) 0.5x       1.5x           x

平衡(mol)9-0.5x    23-1.5x      x

平衡时氨气体积分数=×100%=60%，解得x=12，氮气分压=×60MPa=9MPa；氨气的分压=60%×60MPa=36MPa，氢气分压=60MPa-9MPa-36MPa=15MPa，此时的平衡常数Kp==0.043(MPa)-2，故答案为0.043(MPa)-2。