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．据报道，常温、常压、光照条件下，N₂在掺有少量Fe₂O₃的TiO₂催化剂表面能与水发生反应，生成的主要产物为NH₃．相应的热化学方程式为：
N₂（g）+3H₂O（l）═2NH₃（g）+3/2O₂（g）△H=+765.0kJ•mol^?1
回答下列问题：
（1）请在图一所示的坐标中，画出上述反应在有催化剂和无催化剂两种情况下的反应体系能量变化示意图，并进行标注（标注出“反应物”、“生成物”、“有催化剂”、“无催化剂”）．
（2）目前工业合成氨的原理是：
N₂（g）+3H₂（g）$?_{催化剂}^{高温、高压}$2NH₃（g）△H=-192.0kJ•mol^?1
①反应2H₂（g）+O₂（g）═2H₂O（l）的△H=-319.0 kJ•mol^?1．
②某条件下，在容积为2.0L的密闭容器中充入0.6mol N₂（g）和1.6mol H₂（g），经过2min反应达到平衡，此时NH₃的物质的量分数为4/7．则反应在2min内N₂的平均反应速率为0.1mol•L^-1•min^-1，该条件下H₂的平衡转化率为75%，平衡常数K=200．
③670K、30Mpa下，n（N₂）和n（H₂）随时间变化的关系如图二所示，下列叙述正确的是AD．
A．a点的正反应速率比b点大
B．c点处反应达到平衡
C．d点（t₁时刻）和e点（t₂时刻）处n（N₂）不一样
D．其它条件不变，773K下反应至t₁时刻，n（H₂）比图二中d点的值大
（3）将反应得到的氨气液化为液氨，已知液氨中存在着下列平衡：2NH_3?NH₄⁺+NH₂^-．科学家在液氨中加入氢氧化铯（CsOH）和特殊的吸水剂，使液氨中的NH₄⁺生成N₄分子，请写出液氨与CsOH反应的化学方程式8NH₃+4CsOH=N₄+4CsNH₂+6H₂↑+4H₂O．

Answer 1

分析 （1）催化剂通过改变反应的活化能，加快反应速率，不影响化学平衡移动的方向；
（2）①已知①N₂（g）+3H₂O（l）?2NH₃（g）+$\frac{3}{2}$O₂（g）△H=+765.0kJ/mol．
②N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H=-192.0kJ/mol，利用盖斯定律将$\frac{（②-①）×2}{3}$计算焓变；
②令参加反应的氮气的物质的量为amol，利用三段式表示出各物质的变化量、平衡时物质的量，利用压强之比等于物质的量之比列方程计算a，依据反应速率概念就是V=$\frac{△c}{△t}$，转化率=$\frac{消耗量}{起始量}$×100%，平衡常数等于生成物平衡浓度幂次方乘积除以反应物平衡浓度幂次方乘积计算得到；
③根据图象中图象的变化来判断个选项；
（3）根据液氨的电离产物和题目给出的反应物来推断反应方程式．

解答 解：（1）加入催化剂可以降低反应的活化能，从而能够降低反应的能量，同时又能加快反应速率，达到化学平衡的所需时间减小，但是不影响反应中的热效应，有催化剂和无催化剂两种情况下的反应体系能量变化示意图为，故答案为：；
（2）①已知①N₂（g）+3H₂O（l）?2NH₃（g）+$\frac{3}{2}$O₂（g）△H=+765.0kJ/mol．
②N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H=-192.0kJ/mol，利用盖斯定律将$\frac{（②-①）×2}{3}$得2H₂（g）+O₂（g）═2H₂O（l）的△H=$\frac{（-192-765）×2}{3}$=-319.0kJ•mol^?1，
故答案为：-319.0；
②令参加反应的氮气的物质的量为amol，则：
           N₂（g）+3H₂（g）═2NH₃（g）
开始（mol）：0.6     1.6         0
转化（mol）：a       3a          2a
平衡（mol）：0.6-a   1.6-3a      2a
故$\frac{2a}{0.6+1.6-2a}$=$\frac{4}{7}$，解得a=0.4
氮气的反应速率=$\frac{\frac{0.4mol}{2L}}{2min}$=0.1 mol•L^-1•min^-1；
氢气的转化率=$\frac{3×0.4}{1.6}$×100%=75%；
平衡常数K=$\frac{（\frac{0.8}{2}）{\;}^{2}}{\frac{0.2}{2}×（\frac{0.4}{2}）{\;}^{3}}$=200，
故答案为：0.1 mol•L^-1•min^-1； 75%；200；
③A．a、b、c三点均向正反应方向移动，故正反应速率大于逆反应速率，故A正确；
B．当两种物质的物质的量不变时，达到化学平衡状态，所以，c点未达平衡状态，故B错误；
C．d、e均达到化学平衡状态，故各物质的物质的量不再发生变化，故C错误；
D．△H＜0，反应放热，升高温度平衡向逆反应方向移动，故773K时，n（H₂）大于图中d点，故D正确；
故答案为：AD；
（3）因为Cs⁺是阳离子，必须要找阴离子配对，阴离子题目提示了，2NH₃?NH₄⁺+NH₂^-，所以为：C_SNH₂．产物还有N₄、H₂O（因为用到了吸水剂），看元素组成，右边H比较少，一般就是想到H₂，反应为8NH₃+4CsOH=N₄+4CsNH₂+6H₂↑+4H₂O，故答案为：8NH₃+4CsOH=N₄+4CsNH₂+6H₂↑+4H₂O．

点评 本题考查较综合，涉及知识点较多，涉及通过图象分析化学反应速率、化学平衡及计算、平衡常数的计算应用以及热化学方程式和盖斯定律计算等问题，主要是图象分析判断，平衡移动原理的理解应用，为高频考点，侧重于学生的分析能力和计算能力的考查，需要学生较强的观察能力及思维能力，难度中等．