Question

利用合成氨生产尿素[CO（NH₂）₂]是重要的化学工艺．在3个2L的密闭容器中，使用相同的催化剂，按不同方式投入反应物，分别进行反应：3H₂（g）+N₂（g）?2NH₃（g）．保持恒温、恒容，测得反应达到平衡时有关数据如下：

容器	甲	乙	丙
反应物投入量	3mol H2、2mol N2	6mol H2、4molN2	2molNH3
达到平衡的时间/min		5	8
平衡时N2的浓度/mol?L-1	c1	1.5
NH3的体积分数	ω1		ω3
混合气体密度/g?L-1	ρ1	ρ2
平衡常数/L2?mol-2	K甲	K乙	K丙

（1）下列各项能说明该反应已达到平衡状态的是

 

（填写序号字母）．
a．容器内N₂、H₂、NH₃的浓度之比为1：3：2  
b．v（N₂）正=3v（H₂）逆
c．容器内压强保持不变
d．混合气体的密度保持不变
（2）容器乙中反应从开始到达平衡的反应速率为v（H₂）=

 

（3）在该温度下甲容器中反应的平衡常数K

 

（用含c₁的代数式表示）．
（4）分析上表数据，下列关系正确的是

 

 （填序号）：
a．2c₁＞1.5mol/L    b．2ρ₁=ρ₂    c．ω₃=ω₁ d．K_甲=K_乙=K_丙
（5）氨和尿素溶液都可以吸收硝酸工业尾气中的NO、NO₂，将其转化为N₂．写出尿素与NO、NO₂三者等物质的量反应的化学方程式

 

．
（6）氨氮废水（含NH₃、NaOH和Na₂SO₄）超标排放会造成水体富营养化．如图通过直接电化学法能有效除去废水中的氨．其中阴离子的流动方向为

 

 （填“向a极”或“向b极”），电解过程中，b极区的pH

 

 （填“增大”或“减小”或“不变”），阳极反应方程式为

 

．

Answer 1

考点：化学平衡的计算,化学平衡状态的判断,电解原理

专题：化学平衡专题,电化学专题

分析：（1）当可逆反应达到平衡状态，正逆反应速率相等，反应体系中各物质的物质的量不变、物质的量浓度不变、百分含量不变以及由此引起的一系列物理量不变；
（2）先计算氮气的反应速率，再根据同一可逆反应同一时间段内各物质的反应速率之比等于其计量数之比计算氢气反应速率；
（3）甲容器中，反应前氢气浓度为：c（H₂）=

3

2

mol/L=1.5mol/L，氮气的浓度为：

2

2

mol/L=1mol/L，达到平衡时氮气的浓度变化为：（1-c₁）mol/L，
由化学平衡的三段式可得：
               3H₂（g）+N₂（g）?2NH₃（g）
反应前（mol/L）：1.5           1             0
浓度变化：（mol/L）：3（1-c₁） （1-c₁）    2（1-c₁）
反应后：（mol/L）：1.5-3（1-c₁） 1-（1-c₁） 2（1-c₁）
化学平衡常数K=

c2(NH3)

c(N2)．c3(H2)

；
（4）先将丙中的数据按照化学计量数转化成反应物氮气、氢气的物质的量，然后利用等效平衡知识进行分析；
（5）尿素与NO、NO₂三者等物质的量反应生成二氧化碳、氮气和水；
（6）电解时，阴离子向阳极移动，b电极上氢离子放电生成氢气，同时溶液中生成氢氧根离子；阳极上氨气失电子和氢氧根离子反应生成氮气和水．

解答： 解：（1）a．容器内N₂、H₂、NH₃的浓度之比为1：3：2时，该反应不一定达到平衡状态，与反应物的量及转化率有关，故A错误；  
b．3v（N₂）正=v（H₂）逆时该反应达到平衡状态，所以v（N₂）正=3v（H₂）逆时该反应没有达到平衡状态，故错误；
c．该反应的反应前后气体物质的量减小，所以压强减小，当容器内压强保持不变时该反应达到平衡状态，故正确；
d．无论该反应是否达到平衡状态，气体质量不变、容器体积不变，则混合气体的密度保持不变，所以不能据此判断平衡状态，故错误；
故选c；
（2）氮气的反应速率=

4mol 2L -1.5mol/L

5min

=0.1mol/（L．min），同一可逆反应同一时间段内各物质的反应速率之比等于其计量数之比，所以氢气反应速率=0.3mol/（L．min），故答案为：0.3mol/（L．min）；
（3）甲容器中，反应前氢气浓度为：c（H₂）=

3

2

mol/L=1.5mol/L，氮气的浓度为：

2

2

mol/L=1mol/L，达到平衡时氮气的浓度变化为：（1-c₁）mol/L，
由化学平衡的三段式可得：
               3H₂（g）+N₂（g）?2NH₃（g）
反应前（mol/L）：1.5           1             0
浓度变化：（mol/L）：3（1-c₁） （1-c₁）    2（1-c₁）
反应后：（mol/L）：1.5-3（1-c₁） c₁       2（1-c₁）
化学平衡常数K=

c2(NH3)

c(N2)．c3(H2)

=

[2(1-c1)]2

c1．[1.5-3(1-c1)]3

=

(2-2c1)2

c1．(3c1-1.5)3

，
故答案为：

(2-2c1)2

c1．(3c1-1.5)3

；
（4）恒温、恒容条件下：
a．假设乙容器的容积为4L，则达到平衡时甲乙为等效平衡，各组分的含量、浓度相等，此时氮气的浓度为c₁，然后将容器的容积缩小到2L，若平衡不移动，2c₁=1.5mol/L，由于压强增大，平衡向着正向移动，氨气的浓度增大，所以2c₁＞1.5mol/L，故a正确；
b．反应前后都是气体，容器的容积都是2L，乙中混合气体的质量为甲的2倍，根据ρ=

m

V

可知：2ρ₁=ρ₂，故b正确；
c．丙中2mol氨气相当于加入了1mol氮气、3mol氢气，而甲中为3mol H₂、2mol N₂，由于丙反应物氮气的物质的量减小，生成的氨气的物质的量减小，所以ω₃＜ω₁，故c错误；
d．K_甲=K_乙=K_丙，温度相同，K值相同，故d正确；
故选abd；
（5）尿素与NO、NO₂三者等物质的量反应生成二氧化碳、氮气和水，反应方程式为
CO（NH₂）₂+NO+NO₂=CO₂+2N₂+2H₂O，故答案为：CO（NH₂）₂+NO+NO₂=CO₂+2N₂+2H₂O；
（6）电解时，阴离子向阳极a移动，b电极上氢离子放电生成氢气，同时溶液中生成氢氧根离子，导致溶液的pH增大；阳极上氨气失电子和氢氧根离子反应生成氮气和水，电极反应式为，故答案为：2NH₃-6e^-+6OH^-=N₂+6H₂O，
故答案为：a；增大；2NH₃-6e^-+6OH^-=N₂+6H₂O．

点评：本题以化学平衡移动原理为载体考查平衡状态判断、等效平衡、化学平衡计算、电解原理等知识点，侧重考查基本理论，难点构建等效平衡，然后利用外界条件对平衡的影响分析解答，题目难度中等．