Question

2．氨是一种重要的化工产品，是氮肥工业、有机合成工业以及制造硝酸、铵盐和纯碱等的原料．
（1）以氨为燃料可以设计制造氨燃料电池，因产物无污染，在很多领域得到广泛应用．若电极材料均为惰性电极，KOH溶液作电解质溶液，则该电池负极电极反应式为2NH₃-6e^-+6OH^-=N₂+6H₂O．
（2）在一定温度下，在固定体积的密闭容器中进行可逆反应：N₂+3H₂?2NH₃．该可逆反应达到平衡的标志是BCE．
A．3v（H₂）_正=2v（NH₃）_逆
B．单位时间生成m mol N₂的同时消耗3m mol H₂
C．容器内的总压强不再随时间而变化
D．混合气体的密度不再随时间变化
E．a molN≡N键断裂的同时，有6amolN-H键断裂
F．N₂、H₂、NH₃的分子数之比为1：3：2
（3）某化学研究性学习小组模拟工业合成氨的反应．在容积固定为2L的密闭容器内充入1molN₂和3molH₂，加入合适催化剂（体积可以忽略不计）后在一定温度压强下开始反应，并用压力计监测容器内压强的变化如下：

反应时间/min	0	5	10	15	20	25	30
压强/MPa	16.80	14.78	13.86	13.27	12.85	12.60	12.60

则从反应开始到25min时，以N₂表示的平均反应速率=0.01mol/（L．min）；该温度下平衡常数K=2.37（mol/L）^-2；（要写K的单位）
（4）以CO₂与NH₃为原料合成尿素[化学式为CO（NH₂）₂]的主要反应如下，已知：
①2NH₃（g）+CO₂（g）═NH₂CO₂NH₄（s）△H=-l59.5kJ•mol^-1
②NH₂CO₂NH₄（s）?CO（NH₂）₂（s）+H₂O（g）△H=+116.5kJ•mol^-1
③H₂O（1）═H₂O（g）△H=+44.0kJ•mol^-1
写出CO₂与NH₃合成尿素和液态水的热化学反应方程式2NH₃（g）+CO₂（g）═CO（NH₂）₂（s）+H₂O（l）△H=-87.0kJ•mol^-1；
对于上述反应②在密闭容器中将过量NH₂CO₂NH₄固体于400K下分解，平衡时体系压强为a Pa，若反应温度不变，将体系的体积增加50%，则体系的压强是a Pa（用含a的式子表示）．

Answer 1

分析 （1）碱性燃料电池中，负极上燃料失电子发生氧化反应，同时注意电解质溶液是否参与反应；
（2）当可逆反应达到平衡状态时，正逆反应速率相等，各物质的质量、百分含量及浓度不变，对反应前后气体体积不相等反应压强不变，对恒容条件全气体反应密度不变，据此判断；
（3）同一温度下，容器中气体压强与总的物质的量成正比，根据压强计算平衡时混合气体的物质的量，再根据v=$\frac{△c}{△t}$计算氮气的平均反应速率；根据平衡时各物质的浓度计算其平衡常数；
（4）根据盖斯定律书写其热化学反应方程式；增大体积，相当于减小压强，可逆反应向气体体积增大的方向移动，根据平衡常数不变进行计算．

解答 解：（1）碱性燃料电池中，负极上燃烧失电子发生氧化反应，所以该原电池中负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2NH₃-6e^-+6OH^-=N₂+6H₂O，故答案为：2NH₃-6e^-+6OH^-=N₂+6H₂O；
（2）A．2v（H₂）_正=3v（NH₃）_逆时，该反应达到平衡状态，所以3v（H₂）_正=2v（NH₃）_逆时该反应没有达到平衡状态，故错误；
B．单位时间生成m mol N₂的同时消耗3m mol H₂，正逆反应速率相等，所以该反应达到平衡状态，故正确；
C．对反应前后气体体积不相等反应，容器内的总压强不再随时间而变化，反应体系中各物质的浓度不变，所以达到平衡状态，故正确；
D．无论该反应是否达到平衡状态，混合气体的密度不随时间变化，所以密度不能作为判断依据，故错误；
E．a molN≡N键断裂的同时，有6amolN-H键断裂，正逆反应速率相等，所以该反应达到平衡状态，故正确；
F．N₂、H₂、NH₃的分子数之比为1：3：2时该反应不一定达到平衡状态，与反应物的初始浓度及转化率有关，故错误；
故选BCE；
（3）同一温度下，容器中气体压强与总的物质的量成正比，设平衡状态时混合气体的物质的量为x，
16.80：12.60=（1+3）mol：x，x=$\frac{4mol×12.60}{16.80}$=3mol，所以平衡时混合气体的物质的量为3mol，
设参加反应的氮气的物质的量为y，
N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）物质的量减少
1mol                        2mol
y                         （4-3）mol
1mol：2mol=y：（4-3）mol，
y=$\frac{1mol×（4-3）mol}{2mol}$=0.5mol，
则从反应开始到25min时，以N₂表示的平均反应速率=$\frac{\frac{0.5mol}{2L}}{25min}$=0.01mol/（L．min），
平衡时，c（N₂）=$\frac{0.5mol}{2L}$=0.25mol/L、c（H₂）=$\frac{3mol-3×0.5mol}{2L}$=0.75mol/L、c（NH₃）=$\frac{0.5mol×2}{2L}$=0.5mol/L，化学平衡常数K=$\frac{0.5×0.5}{0.25×（0.75）^{3}}$（ mol/L）^-2=2.37（ mol/L）^-2，
故答案为：0.01 mol/（L．min）；2.37（ mol/L）^-2；
（4）①2NH₃（g）+CO₂（g）═NH₂CO₂NH₄（s）△H=-l59.5kJ•mol^-1
②NH₂CO₂NH₄（s）?CO（NH₂）₂（s）+H₂O（g）△H=+116.5kJ•mol^-1
③H₂O（1）═H₂O（g）△H=+44.0kJ•mol^-1
据盖斯定律将方程式①+②-③得2NH₃（g）+CO₂（g）═CO（NH₂）₂（s）+H₂O（l）△H=-87.0 kJ•mol^-1，
增大容器容积时，假设平衡不移动，压强与体积成反比，将体系的体积增加50%，所以其压强为原来的$\frac{2}{3}$，实际上增大容器容积，压强减小，平衡向气体体积增大的方向移动，即向正反应方向移动，温度不变，平衡常数不变，可知达平衡时水蒸气浓度不变，所以压强仍为aPa，
故答案为：2NH₃（g）+CO₂（g）═CO（NH₂）₂（s）+H₂O（l）△H=-87.0 kJ•mol^-1_；a．

点评 本题考查较综合，涉及化学平衡计算、平衡判断、原电池原理等知识点，侧重考查知识运用能力，化学平衡判断时只有“反应前后改变的物理量”才能作为判断依据，难点是（4）题第二空，注意反应方程式②的特点，题目难度中等．