Question

3．氨是一种重要的化工产品．
（1）热化学循环制氢可以采用如下的反应：
①Br₂（g）+CaO（s）=CaBr₂（s）+$\frac{1}{2}$O₂（g）△H=-73kJ•mol^-1
②CaBr₂（s）+H₂O（g）=CaO（s）+2HBr（g）△H=+212kJ•mol^-1
③Fe₃O₄（s）+8HBr（g）=Br₂（g）+3FeBr₂（s）+4H₂O（g）△H=-274kJ•mol^-1
④3FeBr₂（s）+4H₂O（g）=Fe₃O₄（s）+6HBr（g）+H₂（g）△H=+354kJ•mol^-1
则H₂O（g）??H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）△H=+249kJ•mol^-1．
（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（g）+3H₂（g）??2NH₃（g）△H=-92.4kJ•mol^-1．可判定该可逆反应达到平衡状态标志的选项是BDE．
A．v（N₂）_正=2v（NH₃）_逆
B．单位时间生成amolN₂的同时消耗3amolH₂
C．混合气体的密度不再随时间变化
D．容器内的总压强不再随时间而变化
E．amolN≡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）反应2NH₃（g）??N₂（g）+3H₂（g）在容积为1.0L的密闭容器中进行，NH₃的初始浓度为0.05mol/L．温度T₁和T₂下NH₃的浓度与时间关系如图所示．回答下列问题：
①上述反应的温度T₁小于T₂，平衡常数K（T₁）小于K（T₂）．（填“大于”、“小于”或“等于”）
②若温度T₂时，5min后反应达到平衡，NH₃的转化率为80%，则：平衡时混合气体总的物质的量为0.09mol．反应在0～5min区间的平均反应速率v（N₂）=0.004mol/（L•min）．
（4）某化学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

则反应在该温度下平衡常数K=2.37（保留三三位有效数字）；保持温度不变，30min时再向该密闭容器中投入0.5molN₂、0.5molH₂和1molNH₃，此时反应将正向进行（填“正向进行”、“逆向进行”或“处于平衡状态”）．
（5）以氨为燃料可以设计制造氨燃料电池，产物无污染．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．

Answer 1

分析 （1）根据盖斯定律求解；
（2）根据可逆反应达到平衡状态，一定满足正逆反应速率相等，各组分的浓度、百分含量不变进行判断；
（3）①温度越高达平衡所需的时间越短，然后结合图象分析反应的热效应，从而得出K的变化情况；
②根据三行式，结合平衡常数和反应速率的公式来求解；
（4）根据平衡时各物质的浓度计算其平衡常数，用浓度积与K比较大小判断反应的方向；
（5）碱性燃料电池中，负极上燃烧失电子发生氧化反应．

解答 解：（1）因为①Br₂（g）+CaO（s）=CaBr₂（s）+12O₂（g）△H=-73kJ•mol^-1
②CaBr₂（s）+H₂O（g）=CaO（s）+2HBr（g）△H=+212kJ•mol^-1
③Fe₃O₄（s）+8HBr（g）=Br₂（g）+3FeBr₂（s）+4H₂O（g）△H=-274kJ•mol^-1
④3FeBr₂（s）+4H₂O（g）=Fe₃O₄（s）+6HBr（g）+H₂（g）△H=+354kJ•mol^-1
则由盖斯定律①+②+③+④得到：H₂O（g）?H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）△H=+249KJ/mol，
故答案为：+249；
（2）根据反应N₂（g）+3H₂（g）=?2NH₃（g）△H=-92.4kJ•mol^-1，
A．速率之比与化学计量数成正比，2v（N₂）_正=v（NH₃）_逆，故A错误；
B．单位时间生成amolN₂的同时消耗3amolH₂，方向相反成正比例，故B正确；
C．混合气体的密度=$\frac{m}{V}$，混合气体的质量不变更，V反应前后不变，故密度不是变量，不能判断平衡，故C错误；
D．容器内的总压强为变量，故压强不再随时间而变化则平衡，故D正确；
E．amolN≡N键断裂的同时，有6amolN-H键断裂，方向相反成正比例，能作为平衡的标志，故E正确；
F．N₂、H₂、NH₃的分子数之比为1：3：2任何时候均成立，故F错误，
故选：BDE；
（3）①由图可知T₂先达平衡状态，所以T₁小于T₂，而温度越高K越小，所以正反应为吸热反应，所以温度越高K值越大，故答案为：小于；小于；
②2NH₃（g）?N₂（g）+3H₂（g）
起始浓度：0.050     0         0 
变化浓度：0.04    0.02     0.06        
平衡浓度：0.01    0.02     0.06
平衡时体系总的物质的量为=（0.01+0.02+0.06）×1=0.09mol；
反应在0～5min区间的平均反应速率v（N₂）=0.025=0.004mol/（L•min）；
故答案为：0.09mol；0.004mol/（L•min）；
（4）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=4mol×$\frac{12.60}{16.80}$=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=1mol×（4-3）mol÷2mol=0.5mol，
平衡时，c（N₂）═0.25mol/L、
c（H₂）=$\frac{3mol-0.5mol×3}{2L}$=0.75mol/L、
c（NH₃）=0.5mol/L，化学平衡常数K=$\frac{0．{5}^{2}}{0.25×0.7{5}^{3}}$=2.37（ mol/L）^-2，
30min时再向该密闭容器中投入0.5molN₂、0.5molH₂和1molNH₃，Qc=$\frac{{1}^{2}}{0.5×{1}^{3}}$＜K，故此时反应正向进行；
故答案为：2.37（ mol/L）^-2；正向进行；
（5）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．

点评 本题考查了化学反应能量变化、化学平衡状态判断、可逆反应特点、化学平衡常数的计算等知识，图象分析与化学平衡的计算应用本题难度中等，试题涉及的知识点较多，注意掌握化学平衡状态的判断方法、化学反应的可能性，电离平衡常数的计算方法．