Question

16．人工固氮是指将氮元素由游离态转化为化合态的过程．
Ⅰ．最近一些科学家研究采用高质子导电性的SCY陶瓷（能传递H⁺）实验氮的固定一电解法合成氨，大大提高了氮气和氢气的转化率．总反应式为：N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g），
（1）则在电解法合成氨的过程中，应将H₂不断地通入阳极（填“阴”或“阳”）；向另一电极通入N₂，该电极的反应式为N₂+6H⁺+6e^-=2NH₃．
（2）燃烧电池是一种高效的新型电池，如果以甲醇和空气为反应物，碳酸钾溶液作为电解质溶液，设计成燃料电池，则该电池工作时负极反应是CH₃OH+7CO₃^2-+2H₂O-6e^-═8HCO₃^-；总反应是：2CH₃OH+3O₂+2CO₃^2-═4HCO₃^-+2H₂O（写离子方程式）；
Ⅱ．据报道，在一定条件下，N₂在掺有少量氧化铁的二氧化钛催化剂表面能与水发生反应，主要产物为NH₃，相应的反应方程式为：2N₂（g）+6H₂O（g）?4NH₃（g）+3O₂（g）△H=Q．
（1）上述反应的平衡常数表达式为$\frac{{c}^{4}（N{H}_{3}）×{c}^{3}（{O}_{2}）}{{c}^{2}（{N}_{2}）×{c}^{2}（{H}_{2}O）}$．
（2）若上述反应在有催化剂的情况下发生，则下图所示的a、b、c、d四条曲线中，能表示反应体系能量变化的是d（选填字母代号），图中△H的绝对值为1530kJ•mol^-1．
Ⅲ．目前工业合成氨的原理是：N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H=-93.0kJ/mol．
回答下列问题：
（1）结合Ⅱ中的数据，则2H₂（g）+O₂（g）=2H₂O（g）的△H=-572KJ/mol．
（2）在一定温度下，将1molN₂和3mol H₂混合置于体积不变的密闭容器中发生反应，达到平衡状态时，测得气体总物质的量为2.8mol．
①达平衡时，H₂的转化率α₁=60%．
②在相同条件下（等温、等容），若起始时只将NH₃置于该容器中，达到平衡状态时NH₃的转化率为α₂，当α₁+α₂=1时，则起始时NH₃的物质的量n（NH₃）=2mol．

Answer 1

分析 Ⅰ．（1）在电解法合成氨的过程中，氢气发生氧化反应，应在阳极通入，氮气发生还原反应，在阴极通入，阴极上是氮获得电子，与质子结合生成氨气；
（2）本质是甲醇燃烧生成二氧化碳与水，二氧化碳再与碳酸钾反应生成碳酸氢钾，原电池负极发生氧化反应，甲醇在负极失去电子生成碳酸氢根；
Ⅱ．（1）平衡常数为生成物平衡浓度化学计量数幂乘积与反应物平衡浓度化学计量数幂乘积的比；
（2）正反应为吸热反应，则反应物总能量小于生成物总能量，使用催化剂降低活化能，而反应热只与始态、终态有关，催化剂不影响反应热；
Ⅲ．（1）①2N₂（g）+6H₂O（g）?4NH₃（g）+3O₂（g）△H═+1530kJ/mol，
②N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H═-93.0kJ/mol
根据盖斯定律计算，（②×2-①）÷3得到：2H₂（g）+O₂（g）═2H₂O（g），焓变也进行相应计算；
（2）①在一定温度下，将1molN₂和3mol H₂混合置于体积不变的密闭容器中发生反应，达到平衡状态时，测得气体总物质的量为2.8mol，设参加反应的氮气为xmol，则：
             N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）
起始量（mol）：1      3         0
变化量（mol）：x      3x        2x
平衡量（mol）：1-x    3-3x      2x
再根据平衡时总物质的量列方程计算解答；
②在相同条件下，若起始时只将NH₃置于该容器中，达到平衡状态时NH₃的转化率为a₂，当a₁+a₂=1时，则与原平衡为等效平衡，完全转化到左边满足1molN₂和3mol H₂．

解答 解：Ⅰ．在电解法合成氨的过程中，氢气发生氧化反应，应在阳极通入，氮气发生还原反应，在阴极通入，阴极上是氮获得电子，与质子结合生成氨气，阴极电极反应式为：N₂+6H⁺+6e^-=2NH₃，
故答案为：阳；N₂+6H⁺+6e^-=2NH₃；
（2）本质是甲醇燃烧生成二氧化碳与水，二氧化碳再与碳酸钾反应生成碳酸氢钾，原电池负极发生氧化反应，甲醇在负极失去电子生成碳酸氢根，负极电极反应式为：CH₃OH+7CO₃^2-+2H₂O-6e^-═8HCO₃^-，总反应离子方程式为：2CH₃OH+3O₂+2CO₃^2-═4HCO₃^-+2H₂O，
故答案为：CH₃OH+7CO₃^2-+2H₂O-6e^-═8HCO₃^-；2CH₃OH+3O₂+2CO₃^2-═4HCO₃^-+2H₂O；
Ⅱ．（1）2N₂（g）+6H₂O（g）?4NH₃（g）+3O₂（g）的平衡常数表达式K=$\frac{{c}^{4}（N{H}_{3}）×{c}^{3}（{O}_{2}）}{{c}^{2}（{N}_{2}）×{c}^{2}（{H}_{2}O）}$，
故答案为：$\frac{{c}^{4}（N{H}_{3}）×{c}^{3}（{O}_{2}）}{{c}^{2}（{N}_{2}）×{c}^{2}（{H}_{2}O）}$；
（2）正反应为吸热反应，则反应物总能量小于生成物总能量，使用催化剂降低活化能，而反应热只与始态、终态有关，催化剂不影响反应热，图中曲线d符合，
故答案为：d；
Ⅲ．（1）①2N₂（g）+6H₂O（g）?4NH₃（g）+3O₂（g）△H═+1530kJ/mol，
②N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H═-93.0kJ/mol
根据盖斯定律计算，（②×2-①）÷3得到：2H₂（g）+O₂（g）═2H₂O（g）△H═-572KJ/mol；
故答案为：-572KJ/mol；
（2）①在一定温度下，将1molN₂和3mol H₂混合置于体积不变的密闭容器中发生反应，达到平衡状态时，测得气体总物质的量为2.8mol，设参加反应的氮气为xmol，则：
             N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）
起始量（mol）：1      3         0
变化量（mol）：x      3x        2x
平衡量（mol）：1-x    3-3x      2x
故1-x+3-3x+2x=2.8，解得x=0.6，故氢气的转化率为$\frac{1.8mol}{3mol}$×100%=60%，
故答案为：60%；
②在相同条件下，若起始时只将NH₃置于该容器中，达到平衡状态时NH₃的转化率为a₂，当a₁+a₂=1时，则与原平衡为等效平衡，完全转化到左边满足1molN₂和3mol H₂，则n（NH₃）=2mol，
故答案为：2．

点评 本题考查化学平衡计算与影响因素、电化学、反应热计算、等效平衡等，Ⅲ中（2）注意理解等效平衡规律，难度中等．