Question

合成氨生产技术的创立开辟了人工固氮的途径，对化学工业技术也产生了重大影响。合成氨反应的化学方程式为：N₂(g)+3H₂(g)2NH₃(g)；ΔH=-92.2 kJ·mol^-1。合成氨工业中原料气N₂可从空气中分离得到，H₂可用甲烷在高温下与水蒸气反应制得。我国合成氨工业目前的生产条件为：

催化剂：铁触媒，温度400—500 ℃，压强：30—50 MPa。

回答下列问题：

(1)合成氨工业中原料气压缩到30 MPa—50 MPa的原因是________________________；从平衡移动原理分析，低温有利于原料气的转化，实际生产中采用400 ℃—500 ℃的高温，原因是____________________________________________________________________。

(2)500 ℃、50 MPa时，在容积为1 L的容器中加入n mol N₂、3n mol H₂，反应达平衡后测得平衡常数为K，此时N₂的转化率为x。则K和x的关系满足K=____________________。

(3)甲烷在高温下与水蒸气反应的方程式为：CH₄+H₂OCO+3H₂。已知部分物质燃烧的热化学方程式如下：

2H₂(g)+O₂(g)2H₂O(l)；ΔH=-571.6 kJ·mol^-1

2CO(g)+O₂(g)2CO₂(g)；ΔH=-566 kJ·mol^-1

CH₄(g)+2O₂(g)CO₂(g)+2H₂O(l)；ΔH=-890.3 kJ·mol^-1

又知1 mol H₂O(g)转变为1 mol H₂O(l)时放出44.0 kJ热量。写出CH₄和H₂O在高温下反应的热化学方程式：____________________________________。

(4)有人设想寻求合适的催化剂和电极材料，以N₂、H₂为电极反应物，以HCl—NH₄Cl为电解质溶液制造新型燃料电池。请写出该电池的正极反应式：________________________。

Answer 1

(1)加压既有利于增大反应速率，又有利于平衡正向移动，提高原料气的转化率  催化剂在该温度条件下活性最高，反应速率大，达到平衡所需的时间短

(2)

(3)CH₄(g)+H₂O(g)CO(g)+3H₂(g)；ΔH=+206.1 kJ·mol^-1

(4)N₂+8H⁺+6e^-2

解析：本题主要考查了工业合成氨条件的选择原理和平衡常数的表达式。(1)题比较简单；(2)可以先写出反应方程式，从而看出当氮气转化率为x时，生成NH₃ 2nx mol，此时剩余N₂ n(1-x) mol、H₂3n(1-x) mol，从而得出平衡常数表达式为；第(3)题是盖斯定律的应用问题。利用盖斯定律，求得CH₄和H₂O反应所吸收的热量，从而写出热化学反应方程式；设计原电池时，N₂和H₂为反应物，根据电极反应中化合价的变化规律可知，正极反应物为N₂，从而写出电极反应式。