Question

13．德国化学家哈伯从1902年开始研究由氮气和氢气直接合成氨．合成氨是人类科学技术上的一项重大突破，其反应原理为：N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H=-92.4kJ•mol^-1
一种利用天然气合成氨的简易流程如下：

天然气先经脱硫，然后通过两次转化，再经过二氧化碳脱除等工序，得到氮氢混合气，进入氨合成塔，制得产品氨．
（1）根据化学平衡移动原理，为提高合成氨的生产效率，选择氨合成塔中适宜的生产条件是适宜的高温、高压和催化剂．
（2）CH₄与水蒸气制氢气的反应为CH₄（g）+H₂O （g）?CO （g）+3H₂（g），在2L的密闭容器中，将物质的量各1mol的CH₄和H₂O （g）混合反应，CH₄的平衡转化率与温度、压强的关系如下图所示：

①该反应的△H＞0（填＞、＜）．
②图中压强P₁＜P₂（填＞、＜）．
③200℃时该反应的平衡常数K=69.1（mol•L^-1）²（保留一位小数）．
（3）NH₃经过催化氧化生成NO，以NO为原料通过电解的方法可以制备NH₄NO₃，其总反应是8NO+7H₂O$\frac{\underline{\;电解\;}}{\;}$ 3NH₄NO₃+2HNO₃，试写出以惰性材料作电极的阴极反应式：NO+5e^-+6H⁺=NH₄⁺+H₂O；阳极反应式：NO-3e^-+2H₂O=NO₃^-+4H⁺；电解过程中需要补充一种物质才能使电解产物全部转化为NH₄NO₃，该物质是氨气．

Answer 1

分析 （1）根据合成氨的反应为气体减小的放热反应分析；
（2）①由图可知，压强不变，温度越高CH₄（g）的转化率越大，故温度升高平衡向正反应方向移动；
②温度容积不变，增大压强平衡向体积减小的方向移动即逆反应方向移动，则CH₄（g）的转化率越小，据此判断；
③平衡常数指生成物浓度的系数次幂之积与反应物浓度系数次幂之积的比值，根据CH₄（g）的转化率，利用三段式计算出平衡时各组分的物质的量，进而求出平衡时各组分的浓度，代入平衡常数计算；
（3）电解NO制备NH₄NO₃，阴极上NO得电子生成NH₄⁺和H₂O，阳极上NO失电子生成NO₃^-，根据转移电子守恒判断需要加入物质．

解答 解：（1）因为合成氨的反应为气体减小的放热反应，所以低温高压反应转化率较大，但低温速率较慢，催化剂活性较低，所以氨合成塔中适宜的生产条件是适宜的高温，高压和催化剂，
故答案为：适宜的高温，高压和催化剂；
（2）①由图可知，压强不变，温度越高CH₄（g）的转化率越大，故温度升高平衡向正反应方向移动，升高温度平衡向吸热反应方向移动，所以正反应为吸热反应，即△H＞0，
故答案为：＞；
②温度容积不变，增大压强平衡向体积减小的方向移动即逆反应方向移动，则CH₄（g）的转化率越小，所以压强越大，CH₄（g）的转化率越小，则P₁＜P₂，
故答案为：＜；
③200℃，CH₄（g）的转化率0.8，所以参加反应的CH₄（g）的物质的量为0.8mol．
对于反应     CH₄（g）+H₂O（g）═CO（g）+3H₂（g）；
开始（mol）：1        1         0       0
变化（mol）：0.8     0.8       0.8     2.4
平衡（mol）：0.2     0.2       0.8     2.4
所以200℃时该反应的平衡常数k=$\frac{c（CO）×{c}^{3}（{H}_{2}）}{c（C{H}_{4}）×c（{H}_{2}O）}$=$\frac{\frac{0.8}{2}×（\frac{2.4}{2}）^{3}}{\frac{0.2}{2}×\frac{0.2}{2}}$=69.1（mol•L^-1）²；
故答案为：69.1（mol•L^-1）²；
（3）电解NO制备NH₄NO₃，阳极反应为NO-3e^-+2H₂O=NO₃^-+4H⁺，阴极反应为：NO+5e^-+6H⁺=NH₄⁺+H₂O，从两极反应可看出，要使得失电子守恒，阳极产生的NO₃^-的物质的量大于阴极产生的NH₄⁺的物质的量，总反应方程式为：8NO+7H₂O$\frac{\underline{\;电解\;}}{\;}$3NH₄NO₃+2HNO₃，因此若要使电解产物全部转化为NH₄NO₃，需补充NH₃，
故答案为：NO-3e^-+2H₂O=NO₃^-+4H⁺；NO+5e^-+6H⁺=NH₄⁺+H₂O；NH₃．

点评 本题以氨气为载体考查了氧化还原反应、电解原理、化学平衡等知识点，综合性较强，题目难度中等，侧重于考查学生的分析能力和计算能力，注意把握电解原理以及电极方程式的书写、化学平衡常数的计算．