《2025年人教金学典同步解析与测评高中化学选择性必修1人教版》

11. 合成氨工业的原料气 $ {H_{2}} $ 可用天然气制取，其生产流程如图 2 - 39 所示。

（1）写出反应Ⅰ的化学方程式：________。该反应的平衡常数表达式为________。
（2）转化炉中的反应为 $ {CO(g) + H_{2}O(g)\rightleftharpoons CO_{2}(g) + H_{2}(g)} $，其平衡常数与温度的关系如下表所示：

该反应为________（填“吸热”或“放热”）反应。
（3）合成氨的反应原理为： $ {N_{2}(g) + 3H_{2}(g)\rightleftharpoons 2NH_{3}(g)} $ $ \Delta H = - 92.4\ {kJ/mol} $
回答下列问题。
①工业合成氨的原料氮气的制备方法是________。
②在一定温度下，将 $ 1\ {mol} $ $ {N_{2}} $ 与 $ 3\ {mol} $ $ {H_{2}} $ 充入一容积不变的密闭容器中反应，达到平衡时，容器内的压强为起始时的 $ \dfrac{4}{5} $，平衡状态记为 $ S_{0} $，则平衡时容器内 $ {NH_{3}} $ 的体积分数为____；若保持温度不变，开始时向容器中加入 $ a\ {mol} $ $ {N_{2}} $、 $ b\ {mol} $ $ {H_{2}} $、 $ c\ {mol} $ $ {NH_{3}} $，要使反应始终向逆反应方向进行，且达到平衡后各物质的物质的量与原平衡 $ S_{0} $ 完全相同，则起始时 $ c $ 的取值范围是________。

答案： 11.
(1)$CH_4 + H_2O\xlongequal{高温}CO + 3H_2$ $K=\frac{c(CO)· c^3(H_2)}{c(CH_4)· c(H_2O)}$
(2)放热
(3)①分离液态空气 ②$25\%$ $0.8＜c\leq2$
【解析】
(1)高温条件下，$CH_4$与水蒸气反应生成CO和$H_2$，化学方程式为$CH_4+H_2O\xlongequal{高温}CO+3H_2$，平衡常数$K=\frac{c(CO)· c^3(H_2)}{c(CH_4)· c(H_2O)}$。
(2)温度升高K减小，说明平衡逆向移动，则正反应为放热反应。
(3)①氮气来源于空气，根据空气中各气体沸点的不同可分离得到氮气。
②根据三段式求解，设转化的氮气为$x\ mol$。
$N_2(g) + 3H_2(g) \rightleftharpoons 2NH_3(g)$
起始量/mol 1 3 0
变化量/mol $x$ $3x$ $2x$
平衡量/mol $1 - x$ $3 - 3x$ $2x$
达到平衡时，容器内的压强为起始时的$\frac{4}{5}$，则平衡时总物质的量为起始时的$\frac{4}{5}$，即$\frac{1 - x + 3 - 3x + 2x}{1 + 3}=\frac{4}{5}$，解得$x = 0.4$，则平衡时容器内$NH_3$的体积分数为$\frac{0.8}{4 - 0.8}×100\% = 25\%$。若要让反应逆向进行，达到上述平衡时$NH_3$的物质的量为$0.8\ mol$，$NH_3$的物质的量必须大于$0.8\ mol$，最大值则为$1\ mol\ N_2$和$3\ mol\ H_2$完全反应产生$NH_3$的物质的量，即$2\ mol$，则$0.8＜c\leq2$。