Question

7．运用化学反应原理研究NH₃的性质具有重要意义．
（1）科学家一直致力于“人工固氮”的新方法研究．据报道，在光照条件下，N₂在催化剂表面与水发生反应生成NH₃和另一种单质．在使用催化剂和不使用催化剂时，该反应过程和能量的变化关系如图所示．

①写出该反应的化学方程式2N₂+6H₂O$\frac{\underline{\;催化剂\;}}{光照}$4NH₃+3O₂．
②a和b相比，二者的平衡常数关系是K_a=K_b（填“＞”、“=”或“＜”）．
③升高温度，平衡时NH₃的含量增大（填“增大”、“不变”或“减小”）．
（2）在 0.5L的密闭容器中，一定量的 N₂和H₂发生反应：N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H＜0，
400℃时，K=0.5，某一时刻测得N₂、H₂ 和NH₃三种物质物质的量分别为2mol、2mol和3mol，则该反应的v_正（N₂）＞v_逆（N₂）（填“＞”“=”或“＜”）．
（3）将NH₃气体通入稀盐酸中，若存在[NH₄⁺]＞[Cl^-]＞[OH^-]＞[H⁺]的关系，此时所得溶液的溶质是NH₃．H₂O、NH₄Cl（填化学式）．
（4）NH₃的催化氧化反应是工业制HNO₃的关键步骤，测得某温度下固定容积的容器中的数据为：

浓度/mol•L-1 时间	c（NH3）	c（O2）	c（NO）
0min	1.000	1.600	0.000
2min	0.600	a	0.400
4min	0.500	0.975	0.500
6min	0.500	0.975	0.500
8min	0.700	1.225	0.750

①则2～4min内，v（O₂）=0.0625mol/（L．min）．
②在第8min时改变条件，你认为改变的条件可能是增大NO的浓度．

Answer 1

分析 （1）①N₂在催化剂表面与水发生反应生成NH₃和另一种单质，由元素守恒可知生成单质为氧气，配平书写化学方程式；
②b与a相比，改变反应途径，降低活化能，应是使用催化剂，催化剂不影响平衡移动；
③由图可知，该反应为放热反应，升高温度，平衡向逆反应移动，由2N₂（g）+6H₂O（l）$\frac{\underline{\;催化剂\;}}{光照}$4NH₃（g）+3O₂（g），可知1mol氨气反应时，混合气体总物质的量减小$\frac{5}{3}$mol；
（2）计算浓度商Qc，与平衡常数相比，判断反应进行的方向，进而判断v_正（N₂）、v_逆（N₂）相对大小；
（3）将NH₃气体通入稀盐酸中，反应生成氯化铵，而氯化铵中铵根离子水解，使溶液呈酸性，若溶液中存在[NH₄⁺]＞[Cl^-]＞[OH^-]＞[H⁺]，则溶液呈碱性，反应中氨气过量；
（4）①根据v=$\frac{△c}{△t}$计算v（NH₃），再利用速率之比等于其化学计量数之比计算v（O₂）；
②由表中数据可知，8min与6min相比，氨气浓度增大0.2mol/L、氧气浓度增大0.25mol/L，NO浓度增大0.25mol，发生反应4NH₃+5O₂$\frac{\underline{催化剂}}{△}$4NO+6H₂O，氨气、氧气浓度增大量之比等于化学计量数之比，且8min时氨气、氧气、氮气浓度之比不等于平衡时的浓度之比，不是增大压强，只能为增大NO的浓度．

解答 解：（1）①N₂在催化剂表面与水发生反应生成NH₃和另一种单质，由元素守恒可知生成单质为氧气，该反应方程式为：2N₂+6H₂O$\frac{\underline{\;催化剂\;}}{光照}$4NH₃+3O₂，
故答案为：2N₂+6H₂O$\frac{\underline{\;催化剂\;}}{光照}$4NH₃+3O₂；
②b与a相比，改变反应途径，降低活化能，应是使用催化剂，催化剂不影响平衡移动，平衡常数不变，即平衡常数K_a=K_b，
故答案为：=；
③由图可知，该反应为放热反应，升高温度，平衡向逆反应移动，由2N₂（g）+6H₂O（l）$\frac{\underline{\;催化剂\;}}{光照}$4NH₃（g）+3O₂（g），平衡时氨气物质的量减小，混合气体总物质的量减小，且1mol氨气反应时，总物质的量减小$\frac{5}{3}$mol，故平衡时NH₃的含量增大，
故答案为：增大；
（2）在 0.5L的密闭容器中，一定量的 N₂和H₂发生反应：N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H＜0，400℃时，K=0.5，某一时刻测得N₂、H₂ 和NH₃三种物质物质的量分别为2mol、21mol和3mol，浓度商Qc=$\frac{（\frac{3}{0.5}）^{2}}{\frac{2}{0.5}×（{\frac{2}{0.5}）}^{3}}$=$\frac{9}{64}$＜K=0.5，反应向正反应进行，故v_正（N₂）＞v_逆（N₂），
故答案为：＞；
（3）将NH₃气体通入稀盐酸中，反应生成氯化铵，而氯化铵中铵根离子水解，使溶液呈酸性，若溶液中存在[NH₄⁺]＞[Cl^-]＞[OH^-]＞[H⁺]，则溶液呈碱性，反应中氨气过量，故反应后溶液中溶质为NH₃．H₂O、NH₄Cl，
故答案为：NH₃．H₂O、NH₄Cl；
（4）①由表中数据可知，2～4min内氨气浓度变化量为0.6mol/L-0.5mol/L=0.1mol/L，故v（NH₃）=$\frac{0.1mol/L}{2min}$=0.05mol/（L．min），发生反应4NH₃+5O₂$\frac{\underline{催化剂}}{△}$4NO+6H₂O，速率之比等于其化学计量数之比，则v（O₂）=$\frac{5}{4}$v（NH₃）=$\frac{5}{4}$×0.05mol/（L．min）=0.0625mol/（L．min），
故答案为：0.0625mol/（L．min）；
②由表中数据可知，6min平衡状态，8min与6min相比，氨气浓度增大0.2mol/L、氧气浓度增大0.25mol/L，NO浓度增大0.25mol，发生反应4NH₃+5O₂$\frac{\underline{催化剂}}{△}$4NO+6H₂O，氨气、氧气浓度增大量之比等于化学计量数之比，且8min时氨气、氧气、氮气浓度之比不等于平衡时的浓度之比，不是增大压强，只能为增大NO的浓度，
故答案为：增大NO的浓度．

点评 本题属于拼合型题目，涉及化学方程式书写、平衡常数影响因素与应用、化学平衡计算、化学反应速率计算，（1）③为易错点，学生容易认为“平衡向逆反应进行，氨气的含量减小”，（4）中注意分析浓度变化判断改变的条件，难度中等．