Question

15．合成氨工业及硝酸工业对工、农生产和国防都有重要意义．请回答：
（1）以N₂和H₂为原料合成氨气．已知：N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）；△H=-92.4kJ•mol^-1，
①合成氨工业中采取的下列措施可以用勒夏特列原理解释的是（填选项序号）bd．
a．用铁触媒加快化学反应速率           
b．采用较高压强（20MPa～50MPa）
c．将原料气中的少量CO等气体净化除去
d．将生成的氨液化并及时从体系中分离出来
②一定温度下，在密闭容器中充入1mol N₂和3mol H₂并发生反应．
a．若容器容积恒定，达到平衡时气体的压强为原来的7/8，N₂的转化率为а₁，此时，反应放热为23.1kJ；
b．若容积为4L，当进行到第4分钟时达到平衡，生成NH₃为1.0mol，则从开始到达平衡时NH₃的平均速率v（NH₃）=0.0625 mol/（L•min）．
c．若容器压强恒定，则达到平衡时，容器中N₂的转化率为а₂，则а₂＞а₁（填“＞、＜或=”）．
（2）以氨气、空气为主要原料制硝酸．
①NH₃被氧气催化氧化生成NO的反应的化学方程式是：4NH₃+5O₂ $\frac{\underline{\;催化剂\;}}{△}$4NO+6H₂O．
②硝酸厂常用如下2种方法处理尾气．
a．催化还原法：催化剂存在时用H₂将NO₂还原为N₂．
已知：2H₂（g）+O₂（g）=2H₂O（g）：△H=-483.6kJ/mol
N2（g）+2O₂（g）=2NO₂（g）：△H=+67.7kJ/mol
则H₂还原NO₂生成水蒸气反应的热化学方程式是4H₂（g）+2NO₂（g）═N₂（g）+4H₂O（g）；△H=-1034.9 kJ/mol．
b．碱液吸收法：用Na₂CO₃溶液吸收NO₂生成CO₂．
若每9.2gNO₂和Na₂CO₃溶液反应时转移电子数为0.1mol，则反应的离子方程式是2NO₂+CO₃^2-=NO₃^-+NO₂^-+CO₂．
（3）随着对合成氨研究的发展，希腊科学家采用高质子导电性的SCY陶瓷（能传递H⁺）为介质，用吸附在它内外表面上的金属钯多晶薄膜做电极，实现了常压、570℃条件下高转化率的电解法合成氨（装置如图）．钯电极A是电解池的阴极（填“阳”或“阴”），该极上的电极反应式是：N₂+6e^-+6H⁺═2NH₃．

Answer 1

分析 （1）①化学平衡移动原理是指温度、浓度、压强等因素对化学平衡的移动造成的影响；
②a．根据三行式来求参加反应的氮气的物质的量，然后根据反应热得反应放热；
b．根据公式v=$\frac{△c}{△t}$进行计算求解；
c．若容器压强恒定，相当在容器容积恒定的基础上增大压强；
（2）①NH₃被氧气催化氧化生成NO的反应的化学方程式是4NH₃+5O₂ $\frac{\underline{\;催化剂\;}}{△}$4NO+6H₂O；
②根据盖斯定律，由已知热化学方程式乘以适当的系数进行加减，反应热也处于相应的系数进行相应的加减，求解；
b．根据n=$\frac{m}{M}$计算NO₂的物质的量，反应中只有NO₂中N元素化合价发生变化，发生歧化反应，有生成NO₃^-，根据注意电子数计算生成NO₃^-的物质的量，再根据电子转移守恒计算N元素在还原产物中的化合价，判断还原产物，据此书写；
（3）钯电极A上获得电子与B电极产生的氢离子生成氨气，发生还原反应，为电解池的阴极．

解答 解：（1）①a．用铁作催化剂加快化学反应速率，催化剂不能使平衡移动，使用催化剂是为了加快化学反应速率，用勒夏特列原理无法解释，故错误；
b．采用较高压强（20Mpa-50MPa），合成氨是气体体积减小的反应，加压至20～50MPa，有利于化学平衡正向移动，有利于氨的合成，故正确；
c．将原料气中的少量CO等气体净化除去，平衡不移动，故正确；
d．将生成的氨液化并及时从体系中分离出来能用勒夏特列原理解释，故正确；
故选bd；
②a．根据压强之比等于物质的量之比，故反应后容器内混合气体总的物质的量=4mol×$\frac{7}{8}$=3.5mol，则：
N₂+3H₂=2NH₃ 物质的量减少△n
1             1+3-2=2
n（N₂） 4mol-3.5mol=0.5mol
故n（N₂）=0.5mol×$\frac{1}{2}$=0.25mol，
所以反应热为：0.25mol×92.4kJ•mol^-1=23.1 kJ，故答案为：23.1；
b．根据公式v=$\frac{△c}{△t}$=$\frac{\frac{1mol}{4L}}{4min}$=0.0625 mol/（L•min），故答案为：0.0625 mol/（L•min）；
c．若容器压强恒定，相当在容器容积恒定的基础上增大压强，增大压强平衡正向移动，氮气的转化率增大，故答案为：＞；
（2）①NH₃被氧气催化氧化生成NO的反应的化学方程式是4NH₃+5O₂ $\frac{\underline{\;催化剂\;}}{△}$4NO+6H₂O，故答案为：4NH₃+5O₂ $\frac{\underline{\;催化剂\;}}{△}$4NO+6H₂O；
②已知：2H₂（g）+O₂（g）=2H₂O（g）：△H=-483.6kJ/mol～～①
N₂（g）+2O₂（g）=2NO₂（g）：△H=+67.7kJ/mol～～②
由盖斯定律可知：将2①-②得：4H₂（g）+2NO₂（g）═N₂（g）+4H₂O（g）；△H=-1034.9 kJ/mol，故答案为：4H₂（g）+2NO₂（g）═N₂（g）+4H₂O（g）；△H=-1034.9 kJ/mol；
b．9.2gNO₂的物质的量=$\frac{9.2}{46}$mol=0.2mol，反应中只有NO₂中N元素化合价发生变化，发生歧化反应，有生成NO₃^-，
0.2mol二氧化氮转移电子的物质的量是0.1mol，故生成的NO₃^-的物质的量为$\frac{0.1mol}{5-4}$=0.1mol，故被还原的氮原子物质的量为0.2mol-0.1mol=0.1mol，令N元素在还原产物中的化合价为x价，则0.1mol×（4-x）=0.1mol，解得x=+3，故还原产物为NO₂^-，且生成的NO₃^-和NO₂^-物质的量之比为1：1，同时反应生成CO₂，故二氧化氮和碳酸钠溶液反应的离子反应方程式为：2NO₂+CO₃^2-=NO₃^-+NO₂^-+CO₂，故答案为：2NO₂+CO₃^2-=NO₃^-+NO₂^-+CO₂；
（3）钯电极A上获得电子与B电极产生的氢离子生成氨气，发生还原反应，为电解池的阴极，阴极电极反应式为：N₂+6e^-+6H⁺═2NH₃，
故答案为：阴； N₂+6e^-+6H⁺═2NH₃．

点评 本题以合成氨为载体，考查化学平衡的移动原理及影响因素、反应速率计算热化学方程式、电解原理等，题目比较综合，侧重考查学生对知识的迁移应用，难度中等．