Question

【题目】1905年哈珀开发实现了以氮气和氢气为原料合成氨气，生产的氨制造氮肥服务于农业，养活了地球三分之一的人口，哈珀也因此获得了1918年的诺贝尔化学奖。一百多年 过去了，对合成氨的研究依然没有止步。

(1)工业合成氨的反应如下：N2+3H2[Failed to download image : http://192.168.0.10:8086/QBM/2019/7/13/2245969899560960/2261668607328257/STEM/18355b169b6e4ed78e62319f34325284.png]2NH3。已知断裂1molN2中的共价键吸收的能量为946kJ，断裂1molH2中的共价键吸收的能量为436kJ，形成1molN-H键放出的能量为391kJ，则由N2和H2生成2molNH3 的能量变化为__________kJ。 下图能正确表示该反应中能量变化的是__________（填“A”或“B”）。

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(2)反应2NH3(g)[Failed to download image : http://192.168.0.10:8086/QBM/2019/7/13/2245969899560960/2261668607328257/STEM/18355b169b6e4ed78e62319f34325284.png] N2(g)+3H2(g)在三种不同条件下进行，N2、H2的起始浓度为 0，反应物 NH3的浓度(mol/L)随时间(min)的变化情况如下表所示。

[Failed to download image : http://192.168.0.10:8086/QBM/2019/7/13/2245969899560960/2261668607328257/STEM/c330baf54e054420bc680de847e14d25.png]

根据上述数据回答：实验①②中，有一个实验使用了催化剂，它是实验_____(填序号）；实验③达平衡时NH3的转化率为___________。在恒温恒容条件下，判断该反应达到化学平衡状态的标志是_________（填序号）。

a. NH3的正反应速率等于逆反应速率 b.混合气体的密度不变

c.混合气体的压强不变 d.c(NH3)=c(H2)

(3)近日美国犹他大学 Minteer教授成功构筑了H2—N2生物燃料电池。该电池类似燃料电池原理，以氮气和氢气为原料、氢化酶和固氮酶为两极催化剂、质子交换膜(能够传递H+)为隔膜，在室温条件下即实现了氨的合成同时还能提供电能。则A电极为_____极（填“正”、“负”），B电极发生的电极反应式为_______，该电池放电时溶液中的H+向___极移动（填“A”、“B”）。

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Answer 1

【答案】92 A ② 80% ac 负 N2+6e-+6H+=2NH3 B

【解析】

(1)反应热为断键吸收的能量与成键放出的能量差，据此解答；

(2)根据催化剂可以加快反应速率，缩短达到平衡所需要的时间分析；

物质的平衡转化率等于转化率与起始加入量的比；

根据反应达到平衡时，任何物质的物质的量不变，反应速率不变，物质的含量不变判断；

(3)根据在原电池反应中，负极失去电子，发生氧化反应，正极上获得电子，发生还原反应，结合电解质溶液中同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引的原则分析。

(1) Q=946kJ+436kJ×3-391kJ×6=-92kJ，说明该反应发生放出92kJ能量，反应物的能量比生成物的能量高，因此合理选项是A；

(2)实验①、②开始加入量相同，一个使用了催化剂。由于催化剂可以加快反应速率，缩短达到平衡所需要的时间，根据表格数据可知实验②先达到平衡，所以实验②是使用了催化剂的情况。

实验③反应开始时NH3的物质的量是1mol，达平衡时NH3的物质的量是0.2mol，反应了0.8mol，所以NH3的平衡转化率为(0.8mol÷1mol)×100%=80%；

a.NH3的正反应速率等于逆反应速率，则氨气的物质的量不变，其物质的量浓度不变，反应处于平衡状态，a合理；

b.由于容器的容积不变，反应混合物都是气体，在任何情况下混合气体的密度都保持不变，因此不能据此判断反应是否处于平衡状态，b错误；

c.反应是前后气体体积不等的反应，若未达到平衡，则容器内气体压强会发生变化，现在混合气体的压强不变，则反应处于平衡状态，c正确；

d.c(NH3)=c(H2)，反应可能处于平衡状态，也可能未处于平衡状态，这与反应条件有关，d错误；

故合理选项是ac；

(3)根据燃料电池实现反应N2+3H2=2NH3的转化，由于在该反应中H元素化合价升高，失去电子，N元素化合价降低，获得电子，所以通入氢气的A电极为负极，通入N2的B电极为正极，N2获得电子，与溶液中的H+结合形成NH3，因此B电极发生的电极反应式为N2+6e-+6H+=2NH3，该电池放电时，由于负极上H2失去电子变为H+进入溶液中，负极附近溶液中H+浓度增大，电子由导线流入正极B上，根据同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引的原则，溶液中的H+向正极B极移动。