Question

20．肼（N₂H₄）又称联氨，广泛用于火箭推进剂、有机合成及燃料电池，NO₂的二聚体N₂O₄则是火箭中常用氧化剂．试回答下列问题
（1）肼燃料电池原理如图所示，左边电极上发生的电极反应式为N₂H₄-4e^-+4OH^-=N₂+4H₂O
（2）火箭常用N₂O₄作氧化剂，肼作燃料，已知：
N₂（g）+2O₂（g）=2NO₂（g）△H=-67.7kJ•mol^-1
N₂H₄（g）+O₂（g）=N₂（g）+2H₂O（g）△H=-534.0kJ•mol^-1
2NO₂（g）?N₂O₄（g）△H=-52.7kJ•mol^-1
试写出气态肼在气态四氧化二氮中燃烧生成氮气和气态水的热化学方程式：2N₂H₄（g）+N₂O₄（g）=3N₂（g）+4H₂O（g）△H=-947.6kJ•mol^-1．
（3）联氨的工业生产常用氨和次氯酸钠为原料获得，也可在高锰酸钾催化下，尿素[CO（NH₂）₂]和次氯酸钠-氢氧化钠溶液反应获得，尿素法反应的离子方程式为CO（NH₂）₂+ClO^-+2OH^-=N₂H₄+Cl^-+CO₃^2-+H₂O．
（4）如图所示，A是由导热材料制成的密闭容器，B是一耐化学腐蚀且易于传热的透明气囊．关闭K₂，将各1mol NO₂通过K₁、K₃分别充入A、B中，反应起始时A、B的体积相同均为a L．

①B中可通过B的体积不再减小或气体颜色不再变化判断可逆反应2NO₂?N₂O₄已经达到平衡．
②若平衡后在A容器中再充入0.5mol N₂O₄，则重新到达平衡后，平衡混合气中NO₂的体积分数变小（填“变大”“变小”或“不变”）
③若容器A中到达平衡所需时间t s，达到平衡后容器内压强为起始压强的0.8倍，则平均化学反应速率v（NO₂）等于$\frac{0.4}{at}$mol/（L•s）．
④若打开K₂，平衡后B容器的体积缩至0.4a L，则打开K₂之前，气球B体积为0.7aL．

Answer 1

分析 （1）左端为负极，在碱性电解质中失去电子生成氮气和水；
（2）由①N₂（g）+2O₂（g）=2NO₂（g）△H=-67.7kJ•mol^-1
②N₂H₄（g）+O₂（g）=N₂（g）+2H₂O（g）△H=-534.0kJ•mol^-1
③2NO₂（g）?N₂O₄（g）△H=-52.7kJ•mol^-1
根据盖斯定律可知②×2-①-③计算反应热；
（3）在高锰酸钾催化剂存在下，尿素和次氯酸钠、氢氧化钠溶液反应生成联氨、另外两种盐和水，结合质量守恒定律来书写离子反应方程式；
（4）①反应达到平衡状态时，正逆反应速率相等，平衡时各种物质的物质的量、浓度等不再发生变化；
②若平衡后在A容器中再充入0.5mol N₂O₄，等效于加入1mol NO₂，采用先扩大再压缩的方法分析重新到达平衡后，平衡混合气中NO₂的体积分数；
③根据反应前后气体的压强之比等于物质的量之比来回答；
④打开K₂，则相当于是在等温等压时的平衡，因此平衡时等效的，根据此时反应物的物质的量是B中的二倍，则此时总体积也是B以前体积的二倍，据此分析．

解答 解：（1）左端为负极，在碱性电解质中失去电子生成氮气和水，电极反应为N₂H₄-4e^-+4OH^-=N₂+4H₂O，故答案为：N₂H₄-4e^-+4OH^-=N₂+4H₂O；
（2）由①N₂（g）+2O₂（g）=2NO₂（g）△H=-67.7kJ•mol^-1
②N₂H₄（g）+O₂（g）=N₂（g）+2H₂O（g）△H=-534.0kJ•mol^-1
③2NO₂（g）?N₂O₄（g）△H=-52.7kJ•mol^-1
根据盖斯定律可知②×2-①-③得2N₂H₄（g）+N₂O₄（g）=3N₂（g）+4H₂O（g），
△H=（-534.0kJ•mol^-1）×2-（-67.7kJ•mol^-1）-（-52.7kJ•mol^-1）=-947.6 kJ•mol^-1，
即热化学方程式为2N₂H₄（g）+N₂O₄（g）=3N₂（g）+4H₂O（g）△H=-947.6 kJ•mol^-1，
故答案为：2N₂H₄（g）+N₂O₄（g）=3N₂（g）+4H₂O（g）△H=-947.6 kJ•mol^-1；
（3）由在高锰酸钾催化剂存在下，尿素和次氯酸钠、氢氧化钠溶液反应生成联氨、另外两种盐和水，根据质量守恒定律可知两种盐为氯化钠和碳酸钠，该反应为CO（NH₂）₂+ClO^-+2OH^-=N₂H₄+Cl^-+CO₃^2-+H₂O，
故答案为：CO（NH₂）₂+ClO^-+2OH^-=N₂H₄+Cl^-+CO₃^2-+H₂O；
（4）①B是一个气体压强不变的容器，所以当反应达到平衡状态时，混合气体的颜色和气囊体积不再改变，
故答案为：B的体积不再减小或气体颜色不再变化；
②若平衡后在A容器中再充入0.5mol N₂O₄，等效于加入1mol NO₂，相当于先扩大一倍体积二氧化氮的百分含量不变，再压缩平衡向消耗二氧化氮的方向移动，所以二氧化氮的百分含量会减小，故答案为：变小；
③2NO₂?N₂O₄
初始物质的量：1      0
变化的物质的量：2x     x
平衡物质的量：1-2x     x  
则$\frac{1-2x+x}{1}$=0.8，解得x=0.2mol，所以平均化学反应速率v（NO₂）=$\frac{0.2×2}{at}$mol/（L•s）=$\frac{0.4}{at}$mol/（L•s），故答案为：$\frac{0.4}{at}$mol/（L•s）；
④打开K₂，则相当于是在等温等压时的平衡，因此平衡时等效的．由于此时反应物的物质的量是B中的二倍，所以打开K₂之前，气球B体积为（aL+0.4aL）÷2=0.7aL，
故答案为：0.7a．

点评 本题考查了化学平衡的计算和盖斯定律等知识点，难点是根据等效平衡进行计算，难度较大．