Question

15．人类社会的发展离不开能源．当今社会，人类利用的能源主要来自三大化石燃料：煤、石油、和天然气．它们不仅是优质的能量资源，还是宝贵的化工能源．将它们作为燃料直接燃烧，即严重污染环境，又效率不高，所以国家大力提倡化石燃料的综合利用．试运用所学知识，回答下列问题：
（1）合成氨工业是煤化工产业链中非常重要的一部．工业合成氨N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）反应过程中的能量变化如图1所示，则该反应为放热（填“吸热”或“放热”）

（2）实验室模拟工业合成氨时，向密闭容器内充入1molN₂、3molH₂，在一定条件下发生反应．
①若密闭容器的体积为5L，反应经过10min后，测得容器内的NH₃为1mol，则用N₂表示的该反应速率为0.01mol/（L•min），；此时容器内H₂的浓度为0.3mol/L．
②若保持容器的容积不变，反应一段时间后，下列描述中能说明反应已达到平衡状态的是BD
A，容器内N₂、H₂、NH₃三种气体共存
B．单位时间内生成nmolN₂的同时生成2nmolNH₃
C．N₂、H₂、NH₃的分子数之比为1：3：2
D．容器中气体的压强保持不变
（3）天然气的主要成分是CH₄，用它制成的CH₄-空气燃料电池是一种高效能、轻污染的电池，其工作原理如图2所示，该燃料电池的正极反应式是O₂+4e^-+4H⁺═2H₂O，电路中每通过3.01×10²⁴个电子，正极消耗标况下O₂的体积为28L．

Answer 1

分析 （1）反应物的总能量大于生成物的总能量时，反应放热；
（2）①根据反应速率V=$\frac{\frac{△n}{V}}{△t}$求出氨气的反应速率，然后根据反应速率之比等于计量数之比求出氮气的反应速率；根据△n之比等于计量数之比，求出氢气的物质的量的改变量△n，然后求出10min后氢气的物质的量，即可求出氢气的浓度；
②当反应达到平衡状态时，正、逆反应速率相等（同种物质），各物质的浓度、含量不再改变，以及由此衍生的一些物理量也不变，以此进行判断；
（3）根据图示可知，此燃料电池为酸性甲烷燃料电池，而正极上氧气放电，据此写出电极反应方程式；当1mol氧气放电时，放电4mol电子，据此计算．

解答 解：（1）从图示可知，反应物的总能量大于生成物的总能量，故反应放热，故答案为：放热；
（2）①氨气的反应速率V_（NH3）=$\frac{\frac{△n}{V}}{△t}$=$\frac{\frac{1mol}{5L}}{10min}$=0.02mol/（L•min），反应速率之比等于计量数之比，故氮气的反应速率V_（N2）=0.01mol/（L•min）；由于△n之比等于计量数之比，故氢气的物质的量的改变量△n_（H2）=$\frac{3}{2}△{n}_{（N{H}_{3}）}$=$\frac{3}{2}×1mol$=1.5mol，故10min后氢气的物质的量n_（H2）=3mol-1.5mol=1.5mol，即氢气的浓度C_（H2）=$\frac{1.5mol}{5L}$=0.3mol/L，故答案为：0.01mol/（L﹒min）；0.3mol/L；
②A．由于反应是可逆反应，故容器内N₂、H₂、NH₃三种气体一直共存，与平衡不平衡无关，即不能说明反应达平衡，故A错误；
B．单位时间内生成nmolN₂则意味着消耗掉2nmolNH₃，而同时生成2nmolNH₃，则说明反应达平衡，故B正确；
C．N₂、H₂、NH₃的分子数之比为1：3：2时反应不一定平衡，达平衡时N₂、H₂、NH₃的分子数之比也不一定为1：3：2，故C错误；
D．由于是恒容的容器，且此反应正反应方向为气体的物质的量减小的方向，故当反应未达平衡时，容器中的压强在减小，故当容器中气体的压强保持不变时，说明反应达平衡，故D正确．
故选BD．
（3）根据图示可知，此燃料电池为酸性甲烷燃料电池，而正极上氧气放电，故正极的电极反应方程式为：O₂+4e^-+4H⁺═2H₂O；当1mol氧气放电时，放电4mol电子，故电路中每通过3.01×10²⁴个电子即5mol电子时，正极上放电的氧气的物质的量为n=$\frac{5}{4}$mol，在标况下体积为V=$\frac{5}{4}$mol×22.4L/mol=28L．故答案为：O₂+4e^-+4H⁺═2H₂O；28；

点评 本题考查了反应吸放热的判断、化学反应速率的求算以及反应是否达平衡的判断和电极反应方程式的书写等，综合性较强但难度不大．