题目
2024年是中国航天事业的重要里程碑之年，常见推进剂的燃料液肼（N2H4）、液氢、甲醇等的研究成了航天工业中的重要课题。（1）已知一定温度下，由元素的最稳定单质生成1mol纯物质的热效应称为该物质的摩尔生成焓，用ΔfHm表示。相同状况下有关物质的摩尔生成焓ΔfHm如图所示：NO(g) 91.3-|||-N2O4(g) 10.8-|||--241.8 H2O(g)-|||-N2(g)、H2(g) O2(g) 0-|||--45.9 NH3(g)-|||-N2H4(l) square 50.6-|||--300 -250-200 -150 -100 -50 o 50 100 150-|||-Delta (H)_(m)/KJcdot (mol)^-1①火箭推进剂可用N2H4作燃料，N2O4作氧化剂，反应的热化学方程式可表示为2N2H4（l）+N2O4（g）=3N2（g）+4H2O（g）ΔH= ____ ；利用以上数据是否能计算出N2H4（l）的燃烧热： ____ （填“能”或“否”）。②结合化学反应原理分析，N2H4（l）作推进剂燃料与N2O4（g）能自发进行反应的原因是 ____ 。（2）①N2O4为重要的火箭推进剂之一，N2O4与NO2转换的热化学方程式为N2O4（g）⇌2NO2（g），火箭残骸中常出现红棕色气体，当温度升高时，气体颜色变深，则该反应为 ____ （填“吸热”或“放热”）反应。②将一定量N2O4加入恒温恒压的密闭容器中（温度298K、压强100kPa）。该反应中，正反应速率v正=k正×p（N2O4），逆反应速率(v)_(逆)-(k)_(逆)×(p)^2（N(O)_(2)），其中k正、k逆为速率常数，p为分压（分压=总压×物质的量分数），则该反应的压强平衡常数Kp= ____ （以k正、k逆表示）。若该条件下(k)_(正)=4.4×1(0)^4(s)^-1，当N2O4分解1.5%时，v正 ____ kPa•s-1。（保留两位有效数字）（3）液氢是一种高能低温液体燃料，H2可由多种途径制备得到，再经加压降温即得到液氢。①973K、100kPa下，在某密闭容器中按n（C6H6）：n（CH4）=1：5充入气体生成H2，发生反应C6H6（g）+CH4（g）→C7H8（g）+H2（g），平衡时C6H6与C7H8的分压比为1：1，则C6H6的平衡转化率为 ____ ，平衡常数Kp= ____ （用平衡分压代替平衡浓度计算，分压=总压×物质的量分数，列出计算式即可）。②也可以用甲烷和丙烷制备H2，同时生成苯和二甲苯，反应如下：NO(g) 91.3-|||-N2O4(g) 10.8-|||--241.8 H2O(g)-|||-N2(g)、H2(g) O2(g) 0-|||--45.9 NH3(g)-|||-N2H4(l) square 50.6-|||--300 -250-200 -150 -100 -50 o 50 100 150-|||-Delta (H)_(m)/KJcdot (mol)^-1（两个反应可视为同级数的平行反应）对于同级数的平行反应有((v)_(1))/((v)_{2)}=((k)_(1))/((k)_{2)}=((A)_(1))/((A)_{2)}(e)^（((E_{a，2)-(E)_(a，1))/(RT)）}，其中v、k分别为反应速率和反应速率常数，Ea为反应活化能，A1、A2为定值，R为常数，T为温度，同一温度下((k)_(1))/((k)_{2)}是定值。已知Ea，苯＜Ea，二甲苯，若要提高苯的产率，可采取的措施有 ____ 。
2024年是中国航天事业的重要里程碑之年，常见推进剂的燃料液肼（N2H4）、液氢、甲醇等的研究成了航天工业中的重要课题。
（1）已知一定温度下，由元素的最稳定单质生成1mol纯物质的热效应称为该物质的摩尔生成焓，用ΔfHm表示。相同状况下有关物质的摩尔生成焓ΔfHm如图所示：
①火箭推进剂可用N2H4作燃料，N2O4作氧化剂，反应的热化学方程式可表示为2N2H4（l）+N2O4（g）=3N2（g）+4H2O（g）ΔH= ____ ；利用以上数据是否能计算出N2H4（l）的燃烧热： ____ （填“能”或“否”）。
②结合化学反应原理分析，N2H4（l）作推进剂燃料与N2O4（g）能自发进行反应的原因是 ____ 。
（2）①N2O4为重要的火箭推进剂之一，N2O4与NO2转换的热化学方程式为N2O4（g）⇌2NO2（g），火箭残骸中常出现红棕色气体，当温度升高时，气体颜色变深，则该反应为 ____ （填“吸热”或“放热”）反应。
②将一定量N2O4加入恒温恒压的密闭容器中（温度298K、压强100kPa）。该反应中，正反应速率v正=k正×p（N2O4），逆反应速率${v}_{逆}-{k}_{逆}×{p}^{2}（N{O}_{2}）$，其中k正、k逆为速率常数，p为分压（分压=总压×物质的量分数），则该反应的压强平衡常数Kp= ____ （以k正、k逆表示）。若该条件下${k}_{正}=4.4×1{0}^{4}{s}^{-1}$，当N2O4分解1.5%时，v正 ____ kPa•s-1。（保留两位有效数字）
（3）液氢是一种高能低温液体燃料，H2可由多种途径制备得到，再经加压降温即得到液氢。
①973K、100kPa下，在某密闭容器中按n（C6H6）：n（CH4）=1：5充入气体生成H2，发生反应C6H6（g）+CH4（g）→C7H8（g）+H2（g），平衡时C6H6与C7H8的分压比为1：1，则C6H6的平衡转化率为 ____ ，平衡常数Kp= ____ （用平衡分压代替平衡浓度计算，分压=总压×物质的量分数，列出计算式即可）。
②也可以用甲烷和丙烷制备H2，同时生成苯和二甲苯，反应如下：
（两个反应可视为同级数的平行反应）
对于同级数的平行反应有$\frac{{v}_{1}}{{v}_{2}}=\frac{{k}_{1}}{{k}_{2}}=\frac{{A}_{1}}{{A}_{2}}{e}^{（\frac{{E}_{a，2}-{E}_{a，1}}{RT}）}$，其中v、k分别为反应速率和反应速率常数，Ea为反应活化能，A1、A2为定值，R为常数，T为温度，同一温度下$\frac{{k}_{1}}{{k}_{2}}$是定值。已知Ea，苯＜Ea，二甲苯，若要提高苯的产率，可采取的措施有 ____ 。
（1）已知一定温度下，由元素的最稳定单质生成1mol纯物质的热效应称为该物质的摩尔生成焓，用ΔfHm表示。相同状况下有关物质的摩尔生成焓ΔfHm如图所示：
①火箭推进剂可用N2H4作燃料，N2O4作氧化剂，反应的热化学方程式可表示为2N2H4（l）+N2O4（g）=3N2（g）+4H2O（g）ΔH= ____ ；利用以上数据是否能计算出N2H4（l）的燃烧热： ____ （填“能”或“否”）。
②结合化学反应原理分析，N2H4（l）作推进剂燃料与N2O4（g）能自发进行反应的原因是 ____ 。
（2）①N2O4为重要的火箭推进剂之一，N2O4与NO2转换的热化学方程式为N2O4（g）⇌2NO2（g），火箭残骸中常出现红棕色气体，当温度升高时，气体颜色变深，则该反应为 ____ （填“吸热”或“放热”）反应。
②将一定量N2O4加入恒温恒压的密闭容器中（温度298K、压强100kPa）。该反应中，正反应速率v正=k正×p（N2O4），逆反应速率${v}_{逆}-{k}_{逆}×{p}^{2}（N{O}_{2}）$，其中k正、k逆为速率常数，p为分压（分压=总压×物质的量分数），则该反应的压强平衡常数Kp= ____ （以k正、k逆表示）。若该条件下${k}_{正}=4.4×1{0}^{4}{s}^{-1}$，当N2O4分解1.5%时，v正 ____ kPa•s-1。（保留两位有效数字）
（3）液氢是一种高能低温液体燃料，H2可由多种途径制备得到，再经加压降温即得到液氢。
①973K、100kPa下，在某密闭容器中按n（C6H6）：n（CH4）=1：5充入气体生成H2，发生反应C6H6（g）+CH4（g）→C7H8（g）+H2（g），平衡时C6H6与C7H8的分压比为1：1，则C6H6的平衡转化率为 ____ ，平衡常数Kp= ____ （用平衡分压代替平衡浓度计算，分压=总压×物质的量分数，列出计算式即可）。
②也可以用甲烷和丙烷制备H2，同时生成苯和二甲苯，反应如下：
（两个反应可视为同级数的平行反应）对于同级数的平行反应有$\frac{{v}_{1}}{{v}_{2}}=\frac{{k}_{1}}{{k}_{2}}=\frac{{A}_{1}}{{A}_{2}}{e}^{（\frac{{E}_{a，2}-{E}_{a，1}}{RT}）}$，其中v、k分别为反应速率和反应速率常数，Ea为反应活化能，A1、A2为定值，R为常数，T为温度，同一温度下$\frac{{k}_{1}}{{k}_{2}}$是定值。已知Ea，苯＜Ea，二甲苯，若要提高苯的产率，可采取的措施有 ____ 。
题目解答
答案
解：（1）①根据摩尔生成焓的定义，可得到以下三种物质的摩尔生成焓的热化学方程式：Ⅰ．N2（g）+2H2（g）=N2H4（l） ${Δ}_{f}{H}_{m}（{N}_{2}{H}_{4}）=+50.6kJ•mo{l}^{-1}$；Ⅱ．N2（g）+2O2（g）=N2O4（g） ${Δ}_{f}{H}_{m}（{N}_{2}{O}_{4}）=+10.8kJ•mo{l}^{-1}$；Ⅲ．${H}_{2}（g）+\frac{1}{2}{O}_{2}（g）={H}_{2}O（g）$ ${Δ}_{f}{H}_{m}（{H}_{2}O）=-241.8kJ•mo{l}^{-1}$，依据盖斯定律，将4×Ⅲ-（2×Ⅰ+Ⅱ）可得热化学方程式：2N2H4（l）+N2O4（g）=3N2（g）+4H2O（g），其焓变ΔH=4ΔfHm（H2O）-[2ΔfHm（N2H4）+ΔfHm（N2O4）]
=4×（-241.8kJ•mol-1）-（2×50.6kJ•mol-1+10.8kJ•mol-1）=-1079.2kJ•mol-1；燃烧热是指101kPa时，1mol纯物质完全燃烧生成指定产物时所放出的热量，水应是液态，若要计算N2H4（l）的燃烧热，需要确定液态水的生成焓。所以利用以上数据是否能计算出N2H4 （l）的燃烧热：否，
故答案为：-1079.2 kJ•mol-1；否；
②根据热化学方程式2N2H4（l）+N2O4（g）=3N2（g）+4H2O（g） ΔH=-1079.2kJ•mol-1可知，该反应是气体体积增大的放热反应，其ΔS＞0、ΔH＜0，ΔG=ΔH-TΔS＜0恒成立，在任何温度下均可自发进行，
故答案为：该反应是气体体积增大的放热反应，其ΔS＞0、ΔH＜0，ΔG=ΔH-TΔS＜0恒成立，在任何温度下均可自发进行；
（2）①当温度升高时，气体颜色变深，说明平衡正向移动，则该反应为吸热反应，
故答案为：吸热；
②平衡时正、逆速率相等，由于v正=k正×p（N2O4），${v}_{逆}={k}_{逆}×{p}^{2}（N{O}_{2}）$，联立可得${K}_{p}=\frac{{k}_{正}}{{k}_{逆}}$；当N2O4分解1.5%时，设投入的N2O4为1mol，转化的N2O4为0.15mol，由反应N2O4（g）⇌2NO2（g）可得，生成NO2（g）的物质的量为0.15mol×2=0.30mol，故此时$p（{N}_{2}{O}_{4}）=\frac{1mol-0.15mol}{1mol-0.15mol+0.30mol}×100kPa=\frac{17}{23}×100kPa=\frac{1700}{23}kPa$，则${v}_{正}=4.4×1{0}^{4}{s}^{-1}×\frac{1700}{23}kPa≈3.3×1{0}^{6}kPa•{s}^{-1}$，
故答案为：$\frac{{k}_{正}}{{k}_{逆}}$；3.3×106；
（3）①973K、100kPa下，在某密闭容器中按n（C6H6）：n（CH4）=1：5充入气体，发生反应C6H6（g）+CH4（g）=C7H8（g）+H2（g），平衡时C6H6与C7H8的分压比为1：1，设起始时C6H6的物质的量为1mol，CH4的物质的量为5mol，参加反应C6H6的物质的量为x mol，则可建立如下三段式：
C6H6（g）+CH4（g）→C7H8（g）+H2（g）
起始/mol：1 5 0 0
变化/mol：x x x x
平衡/mol：1-x 5-x x x
$\begin{array}{l}\end{array}$
恒温恒容条件下，气体的压强之比等于物质的量之比，依题意可得：$\frac{1-x}{x}=\frac{1}{1}$，解得x=0.5，平衡时，n（C6H6）=0.5mol，n（CH4）=4.5mol，n（C7H8）=0.5mol，n（H2）=0.5mol，则C6H6的平衡转化率为$\frac{0.5mol}{1mol}×100%$=50%；平衡常数Kp=$\frac{{（\frac{0.5}{6}×100kPa）}^{2}}{（\frac{0.5}{6}×100kPa）×（\frac{4.5}{6}×100kPa）}$=$\frac{{（\frac{0.5}{6}×100）}^{2}}{（\frac{0.5}{6}×100）×（\frac{4.5}{6}×100）}$或$\frac{0.{5}^{2}}{0.5×4.5}$，
故答案为：50%； $\frac{{（\frac{0.5}{6}×100）}^{2}}{（\frac{0.5}{6}×100）×（\frac{4.5}{6}×100）}$或$\frac{0.{5}^{2}}{0.5×4.5}$；
②已知Ea，苯＜Ea，二甲苯，$\frac{{v}_{苯}}{{v}_{二甲苯}}=\frac{{A}_{1}}{{A}_{2}}{e}^{（\frac{{E}_{a，二甲苯}-{E}_{a，苯}}{RT}）}$，则温度降低，$\frac{{v}_{苯}}{{v}_{二甲苯}}$增大，可提高苯的产率；加入合适的催化剂，选择性降低Ea，苯，加快生成苯的速率，提高苯的产率；所以若要提高苯的产率，可采取的措施有：适当降低温度，加入合适的催化剂，
故答案为：适当降低温度，加入合适的催化剂。
=4×（-241.8kJ•mol-1）-（2×50.6kJ•mol-1+10.8kJ•mol-1）=-1079.2kJ•mol-1；燃烧热是指101kPa时，1mol纯物质完全燃烧生成指定产物时所放出的热量，水应是液态，若要计算N2H4（l）的燃烧热，需要确定液态水的生成焓。所以利用以上数据是否能计算出N2H4 （l）的燃烧热：否，
故答案为：-1079.2 kJ•mol-1；否；
②根据热化学方程式2N2H4（l）+N2O4（g）=3N2（g）+4H2O（g） ΔH=-1079.2kJ•mol-1可知，该反应是气体体积增大的放热反应，其ΔS＞0、ΔH＜0，ΔG=ΔH-TΔS＜0恒成立，在任何温度下均可自发进行，
故答案为：该反应是气体体积增大的放热反应，其ΔS＞0、ΔH＜0，ΔG=ΔH-TΔS＜0恒成立，在任何温度下均可自发进行；
（2）①当温度升高时，气体颜色变深，说明平衡正向移动，则该反应为吸热反应，
故答案为：吸热；
②平衡时正、逆速率相等，由于v正=k正×p（N2O4），${v}_{逆}={k}_{逆}×{p}^{2}（N{O}_{2}）$，联立可得${K}_{p}=\frac{{k}_{正}}{{k}_{逆}}$；当N2O4分解1.5%时，设投入的N2O4为1mol，转化的N2O4为0.15mol，由反应N2O4（g）⇌2NO2（g）可得，生成NO2（g）的物质的量为0.15mol×2=0.30mol，故此时$p（{N}_{2}{O}_{4}）=\frac{1mol-0.15mol}{1mol-0.15mol+0.30mol}×100kPa=\frac{17}{23}×100kPa=\frac{1700}{23}kPa$，则${v}_{正}=4.4×1{0}^{4}{s}^{-1}×\frac{1700}{23}kPa≈3.3×1{0}^{6}kPa•{s}^{-1}$，
故答案为：$\frac{{k}_{正}}{{k}_{逆}}$；3.3×106；
（3）①973K、100kPa下，在某密闭容器中按n（C6H6）：n（CH4）=1：5充入气体，发生反应C6H6（g）+CH4（g）=C7H8（g）+H2（g），平衡时C6H6与C7H8的分压比为1：1，设起始时C6H6的物质的量为1mol，CH4的物质的量为5mol，参加反应C6H6的物质的量为x mol，则可建立如下三段式：
C6H6（g）+CH4（g）→C7H8（g）+H2（g）
起始/mol：1 5 0 0
变化/mol：x x x x
平衡/mol：1-x 5-x x x
$\begin{array}{l}\end{array}$
恒温恒容条件下，气体的压强之比等于物质的量之比，依题意可得：$\frac{1-x}{x}=\frac{1}{1}$，解得x=0.5，平衡时，n（C6H6）=0.5mol，n（CH4）=4.5mol，n（C7H8）=0.5mol，n（H2）=0.5mol，则C6H6的平衡转化率为$\frac{0.5mol}{1mol}×100%$=50%；平衡常数Kp=$\frac{{（\frac{0.5}{6}×100kPa）}^{2}}{（\frac{0.5}{6}×100kPa）×（\frac{4.5}{6}×100kPa）}$=$\frac{{（\frac{0.5}{6}×100）}^{2}}{（\frac{0.5}{6}×100）×（\frac{4.5}{6}×100）}$或$\frac{0.{5}^{2}}{0.5×4.5}$，
故答案为：50%； $\frac{{（\frac{0.5}{6}×100）}^{2}}{（\frac{0.5}{6}×100）×（\frac{4.5}{6}×100）}$或$\frac{0.{5}^{2}}{0.5×4.5}$；
②已知Ea，苯＜Ea，二甲苯，$\frac{{v}_{苯}}{{v}_{二甲苯}}=\frac{{A}_{1}}{{A}_{2}}{e}^{（\frac{{E}_{a，二甲苯}-{E}_{a，苯}}{RT}）}$，则温度降低，$\frac{{v}_{苯}}{{v}_{二甲苯}}$增大，可提高苯的产率；加入合适的催化剂，选择性降低Ea，苯，加快生成苯的速率，提高苯的产率；所以若要提高苯的产率，可采取的措施有：适当降低温度，加入合适的催化剂，
故答案为：适当降低温度，加入合适的催化剂。