Question

5．1913年，德国化学家哈伯实现了合成氨的工业化生产，被称作解救世界粮食危机的化学天才．现将lmolN₂和3molH₂投入1L的密闭容器，在一定条件下，利用反应：模拟哈伯合成氨的工业化生产．当改变某一外界条件（温度或压强）时，NH₃的体积分数ψ（NH₃）变化趋势如图所示．
回答下列问题：
（1）已知：① 
②
则反应的△H=2△H₁+△H₂，（用含△H₁、△H₂的代数式表示）．
（2）合成氨的平衡常数表达式为$\frac{{c}^{2}（N{H}_{3}）}{c（{N}_{2}）×{c}^{3}（{H}_{2}）}$，平衡时，M点NH₃的体积分数为10%，则N₂的转化率为18%（保留两位有效数字）
（3）X轴上a点的数值比b点小（填“大”或“小”）．上图中，Y轴表示温度（填“温度”或“压强”），判断的理由是随Y值增大，φ（NH₃）减小，平衡N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H＜0向逆反应方向移动，故Y为温度．
（4）若将1mol N₂和3mol H₂分别投入起始容积为1L的密闭容器中，实验条件和平衡时的相关数据如表所示：

容器编号	实验条件	平衡时反应中的能量变化
Ⅰ	恒温恒容	放热Q1kJ
Ⅱ	恒温恒压	放热Q2kJ
Ⅲ	恒容绝热	放热Q3kJ

下列判断正确的是AB．
A．放出热量：Q_l＜Q₂ B．N₂的转化率：I＞III
C．平衡常数：II＞I       D．达平衡时氨气的体积分数：I＞II
（5）下列能提高N₂的转化率的是C
A．升高温度             B．恒容体系中通入N₂气体
C．分离出NH₃            D．通入稀有气体He，使体系压强增大到原来的5倍
（6）常温下，向VmL amoI．L^-l的稀硫酸溶液中滴加等体积bmol．L^-l 的氨水，恰好使混合溶液呈中性，此时溶液中c（NH₄⁺）＞c（S0₄^2-）（填“＞”、“＜”或“=”）．
（7）利用氨气设计一种环保燃料电池，一极通入氨气，另一极通入空气，电解质是掺杂氧化钇（Y₂O₃）的氧化锆（ZrO₂）晶体，它在熔融状态下能传导O^2-．写出负极的电极反应式2NH₃+3O^2--6e^-=N₂+3H₂O．

Answer 1

分析 （1）根据盖斯定律，①×2+②可得③，反应热也进行相应计算；
（2）化学平衡常数是指：一定温度下，可逆反应到达平衡时，生成物的浓度系数次幂之积与反应物的浓度系数次幂之积的比，固体、纯液体不需要在化学平衡常数中写出；
设转化的氮气为xmol，表示出平衡时各物质的物质的量，再根据M点NH₃的体积分数为10%列方程计算解答；
（3）随Y值增大，φ（NH₃）减小，平衡N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H＜0向逆反应方向移动，正反应为体积减小的放热反应，故Y为温度，则X为压强，增大压强平衡正向移动，φ（NH₃）增大；
（4）A．I为恒温恒容，随反应进行压强减小，Ⅱ为恒温恒压，Ⅱ等效为在I的基础上增大压强，平衡正向移动，Ⅱ中反应物转化率大于Ⅰ；
B．Ⅲ为恒容绝热，随反应进行温度升高，I为恒温恒容，Ⅲ等效为在I的基础上升高温度，平衡逆向移动；
C．平衡常数只受温度影响，温度相同，平衡常数相同；
D．Ⅱ等效为在I的基础上增大压强，平衡正向移动，氨气体积分数增大；
（5）提高N₂的转化率，应改变条件使平衡正向移动，但不能只增大氮气浓度，否则氮气转化率会降低；
（6）溶液呈中性，则c（H⁺）=c（OH^-），根据电荷守恒：c（NH₄⁺）+c（H⁺）=2c（SO₄^2-）+c（OH^-）；
（7）原电池负极发生氧化反应，氨气在负极失去电子，与电解质氧化传导的O^2-结合生成氮气与水．

解答 解：（1）已知：①NH₃（l）?NH₃（g）△H₁
 ②N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（l）△H₂
根据盖斯定律，①×2+②可得：N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g），故△H=2△H₁+△H₂，
故答案为：2△H₁+△H₂；
（2）反应N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）的平衡常数表达式K=$\frac{{c}^{2}（N{H}_{3}）}{c（{N}_{2}）×{c}^{3}（{H}_{2}）}$；
设转化的氮气为xmol，则：
            N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）
起始量（mol）：1      3       0
转化量（mol）：x      3x      2x
平衡量（mol）：1-x    3-3x    2x
所以$\frac{2x}{4-2x}$=10%，解得x=$\frac{2}{11}$mol，故氮气转化率为$\frac{\frac{2}{11}mol}{1mol}$×100%=18%，
故答案为：$\frac{{c}^{2}（N{H}_{3}）}{c（{N}_{2}）×{c}^{3}（{H}_{2}）}$；18%；
（3）随Y值增大，φ（NH₃）减小，平衡N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H＜0向逆反应方向移动，正反应为体积减小的放热反应，故Y为温度，则X为压强，增大压强平衡正向移动，φ（NH₃）增大，a点的数值比b点小，
故答案为：小；随Y值增大，φ（NH₃）减小，平衡N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H＜0向逆反应方向移动，故Y为温度；
（4）A．I为恒温恒容，随反应进行压强减小，Ⅱ为恒温恒压，Ⅱ等效为在I的基础上增大压强，平衡正向移动，Ⅱ中反应物转化率大于Ⅰ，放出热量：Q_l＜Q₂，故A正确；
B．Ⅲ为恒容绝热，随反应进行温度升高，I为恒温恒容，Ⅲ等效为在I的基础上升高温度，平衡逆向移动，N₂的转化率：I＞III，故B正确；
C．平衡常数只受温度影响，温度相同，平衡常数相同，则平衡常数：II=I，故C错误；
D．Ⅱ等效为在I的基础上增大压强，平衡正向移动，则达平衡时氨气的体积分数：I＜II，故D错误，
故选：AB；
（5）A．正反应为放热反应，升高温度，平衡逆向移动，氮气的转化率减小，故A错误；
B．恒容体系中通入N₂气体，氮气的转化率减小，故B错误；
C．分离出NH₃，平衡正向移动，氮气转化率增大，故C正确；
D．通入稀有气体He，使体系压强增大到原来的5倍，各组分浓度不变，平衡不移动，氮气转化率不变，故D错误，
故选：C；
（6）溶液呈中性，则c（H⁺）=c（OH^-），根据电荷守恒：c（NH₄⁺）+c（H⁺）=2c（SO₄^2-）+c（OH^-），则c（NH₄⁺）＞c（SO₄^2-），
故答案为：＞；
（7）原电池负极发生氧化反应，氨气在负极失去电子，与电解质氧化传导的O^2-结合生成氮气与水，负极电极反应式为：2NH₃+3O^2--6e^-=N₂+3H₂O，
故答案为：2NH₃+3O^2--6e^-=N₂+3H₂O．

点评 本题考查化学平衡计算与影响因素、反应热计算、离子浓度比较、原电池等，题目比较综合，需要学生具备扎实的基础与灵活应用能力，难度中等．