Question

工业合成氨与制备硝酸一般可连续生产，流程如下：

（1）某温度下体积为200L的氨合成塔中，测得如下数据：

时间（h）浓度（mol/L）		1	2	3	4
N2	1.500	1.400	1.200	C1	C1
H2	4.500	4.200	3.600	C2	C2
NH3		0.200	0.600	C3	C3

根据表中数据计算0～2小时内N₂的平均反应速率    mol?L^-1?h^-1
若起始时与平衡时的压强之比为a，则N₂的转化率为    （用含a的代数式表示）
（2）希腊阿里斯多德大学的 George Marnellos 和 Michael Stoukides，发明了一种合成氨的新方法（Science，2，Oct.1998，p98），在常压下，把氢气和用氦气稀释的氮气分别通入一个加热到570℃的电解池，利用能通过氢离子的多孔陶瓷固体作电解质，氢气和氮气在电极上合成了氨，转化率达到78%，试写出电解池阴极的电极反应式   
（3）氨气和氧气从145℃就开始反应，在不同温度和催化剂条件下生成不同产物（如图）：
4NH₃+5O₂?4NO+6H₂O  K₁=1×10⁵³（900℃）
4NH₃+3O₂?2N₂+6H₂O   K₂=1×10⁶⁷（900℃）温度较低时以生成    为主，温度高于900℃时，NO产率下降的原因    ．吸收塔中需要补充空气的原因    ．
（4）尾气处理时小型化工厂常用尿素作为氮氧化物的吸收剂，此法运行费用低，吸收效果好，不产生二次污染，吸收后尾气中NOx的去除率高达99.95%．其主要的反应为氮氧化物混合气与水反应生成亚硝酸，亚硝酸再与尿素反应生成CO₂和N₂请写出有关反应化学方程式    ，    ．

Answer 1

【答案】分析：（1）根据v=计算v（N₂）；根据压强比计算出平衡时混合气体总的物质的量，再根据差量法计算参加反应的氮气的物质的量，利用转化率的定义计算．
（2）电解池的阴极发生得电子的还原反应，总反应式减去阳极电极反应式，即为阴极电极反应式．
（3）由图可知低温主要产物为氮气；生成NO的反应为放热反应；吸收塔内生成硝酸．
（4）尾气中的氧化物主要为NO、NO₂，由题目信息可知，二者与水反应生成亚硝酸，亚硝酸再与尿素反应生成CO₂和N₂，然后配平．
解答：解：（1）由表可知氮气的起始浓度为1.5mol/L，2小时氮气的浓度为1.5mol/L．
所以2小时内氮气的速率为v（N₂）==0.15mol?L^-1?h^-1．
开始氮气的物质的量为1.5mol/L×200L=300mol，开始氢气的物质的量为4.5mol/L×200L=900mol，氨气为0．
对于反应     N₂（g）+3H₂（g）2NH₃（g），物质的量减少△n
              1                                         2
变化（mol）：n                                         2n     
所以平衡后混合气体总的物质的量为（300+900-2n）mol=（1200-2n）mol，
所以=a，解得n=
所以氮气的转化率为=2（1-）．
故答案为：0.15mol?L^-1?h^-1 ；  2（1-）．
（2）总反应式为N₂+3H₂=2NH₃；
阳极的电极反应为3H₂-6e^-═6H⁺；
总反应式减去阴极电极反应式，即为正极电极反应式，
所以阴极电极反应式为：N₂+6H⁺+6e^-═2NH₃．
故答案为：N₂+6H⁺+6e^-═2NH₃．
（3）由图可知低温主要产物为氮气N₂．
生成NO的反应为放热反应，升高温度平衡向逆反应方向移动，NO的转化率下降．
合成塔反应过程中产生NO，为充分利用，补充空气会进一步与NO反应生成硝酸．
故答案为：N₂；生成NO的反应为放热反应，升高温度转化率下降；进一步与NO反应生成硝酸．
（4）由题目信息可知，NO、NO₂二者混合物与水反应生成亚硝酸，反应方程式为NO+NO₂+H₂O=2HNO₂；
亚硝酸再与尿素反应生成CO₂和N₂，反应方程式为CO （NH₂）₂+2HNO₂=CO₂+2N₂+3H₂O．
故答案为：NO+NO₂+H₂O=2HNO₂；   CO （NH₂）₂+2HNO₂=CO₂+2N₂+3H₂O．
点评：本题考查化学反应速率及化学平衡计算、电解池等，综合较大，难度中等，注意两电极反应式相加得总反应式时，两电极得失电子数应相等．