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目前获取原料气中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图：

结合图象，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侧所得气体中=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反应：N₂(g)+3H₂(g)2NH₃(g)   ΔH<0。t₁ min时达到平衡，在t₂ min时改变某一条件，其反应过程如图所示，下列说法正确的是___。

A.Ⅰ、Ⅱ两过程达到平衡时，平衡常数：K_Ⅰ<K_Ⅱ

B.Ⅰ、Ⅱ两过程达到平衡时，NH₃的体积分数：φ(Ⅰ)<φ(Ⅱ)

C.Ⅰ、Ⅱ两过程达到平衡的标志是混合气体的密度不再发生变化

D.t₂min时改变的条件可以是向密闭容器中加N₂和H₂的混合气

（4）乙小组模拟不同条件下的合成氨反应，向容器中充入9.0molN₂和23.0molH₂，不同温度下平衡混合物中氨气的体积分数与总压强(p)的关系如图。

①T₁、T₂、T₃由大到小的排序为___。

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

③计算T₂、60MPa平衡体系的平衡常数K_p=___MPa^-2(用平衡分压代替平衡浓度计算，分压=总压×物质的量分数，保留2位有效数字)。

Answer

CH4(g)+2H2O(g)=CO2(g)+4H2(g) ΔH=+165.4 kJ·mol-1 CH4 10CH4+8H2O+O2=10CO+28H2 D T3>T2>T1 > T2、60MPa时A点未达到平衡时的体积分数，反应正向进行 0.043或0.0427(MPa)-2

【解析】

(1).结合图象可知，第一步反应的热化学方程式为①CH4(g)＋H2O(g)=CO(g)＋3H2(g) ΔH＝＋206.4 kJ·mol－1，第二步反应的热化学方程式为②CO(g)＋H2O(g)=CO2(g)＋H2(g) ΔH＝－41.0 kJ·mol－1，根据盖斯定律，由①＋②得：CH4(g)＋2H2O(g)=CO2(g)＋4H2(g) ΔH＝＋165.4 kJ·mol－1，故答案为：CH4(g)+2H2O(g)=CO2(g)+4H2(g) ΔH=+165.4 kJ·mol-1；

(2).①结合工作原理图知，膜Ⅰ侧反应物为空气中的O2和H2O，得电子生成O2－和H2；膜Ⅱ侧反应物为CH4和O2－，失去电子生成CO和H2，起还原作用的是CH4，故答案为：CH4；

②设膜Ⅰ侧参加反应的空气中的n(N2)＝4 mol、n(O2)＝1 mol，则膜Ⅰ侧所得气体中n(N2)＝4 mol、n(H2)＝8 mol，膜Ⅰ侧的还原反应为O2＋4e－=2O2－和H2O＋2e－===H2↑＋O2－，则n(O2)反应＝1 mol，n(H2O)反应＝8 mol，膜Ⅱ侧的氧化反应为CH4＋O2－－2e－=2H2＋CO，根据得失电子守恒，膜Ⅱ侧n(CH4)反应＝10 mol，故CH4、H2O、O2反应的化学方程式为10CH4＋8H2O＋O2=10CO＋28H2；故答案为：10CH4+8H2O+O2=10CO+28H2；

(3).温度不变，平衡常数K不变，A项错误；若t2 min时改变的条件是大量通入N2或H2，则平衡时NH3的体积分数：φ(Ⅱ)<φ(Ⅰ)，B项错误；容器恒容，且过程Ⅰ和Ⅱ中混合气体的质量不变，混合气体的密度为固定值，C项错误；t2 min时改变条件，v逆瞬时不变后逐渐增大至不变，则平衡正向移动，所以改变的条件是向容器中加入反应物(可以是N2或H2或N2和H2的混合气)，D项正确，故选D；

(4).①合成氨反应的正反应为放热反应，温度越高平衡时NH3的体积分数越小，所以T3>T2>T1；故答案为：T3>T2>T1；

②在T2、60 MPa条件下，A点时NH3的体积分数小于平衡时NH3的体积分数，此时反应正向进行，所以v正>v逆，故答案为：>；T2、60MPa时A点未达到平衡时的体积分数，反应正向进行；

③结合图象知T2、60 MPa平衡时NH3的体积分数为60%，则平衡时φ(N2)＝15%，φ(H2)＝25%，Kp＝(60MPa×60%)2/[(60 MPa×15%)×(60 MPa×25%)3]≈0.043(MPa)－2，故答案为：0.043或0.0427(MPa)-2。