Question

20．自从1902年德国化学家哈伯研究出合成氨的方法以来，氮的固定的相关研究获得了不断的发展．
（1）下表列举了不同温度下大气固氮的部分平衡常数K值．

反应	大气固氮N2（g）+O2（g）?2NO（g）
温度/℃	27	2260
K	3.84×10-31	1

①分析数据可知：大气固氮反应属于吸热（填“吸热”或“放热”）反应．
②2260℃时，向2L密闭容器中充入0.3molN₂和0.3molO₂，模拟大气固氮反应，达到平衡时，N₂的转化率是33.3%（结果保留三位有效数字）．
（2）工业固氮的主要形式是：N₂ （g）+3H₂ （g）=2NH₃ （g）△H＜0，如图是当反应器中按n（N₂）：n（H₂）=1：3 投料后，在200℃、400℃、600℃下，反应达到平衡时，混合物中NH₃的物质的量分数随压强的变化曲线．

①曲线a对应的温度是200℃．
②关于工业合成氨的反应，下列叙述正确的是A（填字母）．
A．图中M、N、Q点平衡常数K的大小关系是K（M）=K（Q）＞K（N）
B．工业合成氨之后所以加入催化剂，是因为加入催化剂有利于提高反应的活化能
C．相同压强下，投料相同，达到平衡所需时间关系为c＞b＞a
③N点时c（NH₃）=0.2mol/L，N点的化学平衡常数K=0.93（结果保留两位小数）．
（3）合成氨原料气中的氢气可用天然气（主要成分为CH₄）在高温、催化剂作用下与水蒸气反应制得，反应中每生成2mol CO₂吸收316kJ热量，该反应的热化学方程式是CH₄（g）+2H₂O（g）=CO₂（g）+4H₂（g）△H=+158kJ/mol，该方法制得的原料气中主要杂质是CO₂，若用K₂CO₃溶液吸收，该反应的离子方程式是CO₃^2-+CO₂+H₂O=2HCO₃^-．
（4）合成氨工业中含氨废水的处理方法之一是电化学氧化法，将含氨的碱性废水通入电解系统后，在阳极上氨被氧化成氮气而脱除，阳极的电极反应式为2NH₃-6e^-+6OH^-=N₂+6H₂O．

Answer 1

分析 （1）①温度越高，K越大，说明升高温度，平衡正移；
②依据平衡三段式列式计算NO的平衡浓度，然后结合方程式计算出消耗氮气的物质的量，从而可计算出氮气的转化率；
（2）①正反应是放热反应，升高温度平衡逆向移动，氨气的含量减小；
②A．相同压强条件下，投料相同，温度越高反应速率越大，反应达到平衡时间越短；
B．催化剂能降低反应的活化能；
C．K只受温度影响，温度不变平衡常数不变，正反应为放热反应，升高温度平衡逆向移动，平衡常数减小；
③根据反应N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）利用三段式计算出平衡时各物质的浓度，并计算平衡常数；
（3）CH₄在高温、催化剂作用下与水蒸气反应的方程式为CH₄（g）+2H₂O（g）=CO₂（g）+4H₂（g），生成2mol CO₂吸收316kJ热量，则1molCH₄叁加反应时需要吸收的热量为158kJ，CO₂与K₂CO₃溶液反应生成碳酸氢钠钾，据此答题；
（4）生成的无污染的物质为氮气，根据电解原理写出阳极电极反应式．

解答 解：（1）①由表格数据可知，温度越高，K越大，说明升高温度，平衡正移，则正反应方向为吸热反应，
 故答案为：吸热；
②2260℃时，向2L密闭容器中充入0.3mol N₂和0.3mol O₂，20s时反应达平衡，设此时得到NO为xmol，
        N₂（g）+O₂（g）?2NO（g）
开始   0.3mol    0.3mol  0
转化  $\frac{1}{2}$xmol     $\frac{1}{2}$xmol   xmol
平衡 （0.3-0.5x）mol  （0.3-0.5x）mol    xmol
化学平衡常数为生成物浓度系数次幂的乘积与反应物浓度系数次幂乘积的比值，则化学平衡常数K=$\frac{{x}^{2}}{（{0.3-0.5x）}^{2}}$=1，解得：x=0.2，
则平衡时消耗氮气的物质的量为：0.2mol×$\frac{1}{2}$=0.1mol，
所以平衡时氮气的转化率为：$\frac{0.1mol}{0.3mol}$×100%=33.3%，
故答案为：33.3%；
（2）①合成氨的反应为放热反应，反应温度越高，越不利于反应正向进行，曲线a的氨气的物质的量分数最高，其反应温度对应相对最低，所以a曲线对应温度为200℃；
故答案为：200℃；
②A．平衡常数与温度有关，与其他条件无关，温度相同时平衡常数相同，反应是放热反应，温度越高平衡常数越小，则M、N、Q点平衡常数K的大小关系是K（M）=K（Q）＞K（N），故A正确；
B．工业合成氨之后所以加入催化剂，是因为加入催化剂有利于降低反应的活化能，从而加快了反应速率，故B错误；
C．相同压强条件下，投料相同，温度越高反应速率越大，反应达到平衡时间越短，温度：a＜b＜c，则达到平衡所需时间关系为c＜b＜a，故C错误；
答案为：A；
③N点时氨的物质的量的分数为20%，利用三段式，设N₂转化率是b，N₂的起始浓度为a，
根据反应N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）
起始    a       3a         0
转化    ab      3ab       2ab
平衡   a-ab     3a-3ab     2ab
根据题意有：$\frac{2ab}{a-ab+3a-3ab+2ab}$=20%、2ab=0.2，联立解得：a=0.3，b=$\frac{1}{3}$，
所以平衡常数K=$\frac{（{2ab）}^{2}}{（a-ab）•（{3a-3ab）}^{3}}$=$\frac{25}{27}$≈0.93，
故答案为：0.93；
（3）CH₄在高温、催化剂作用下与水蒸气反应的方程式为CH₄（g）+2H₂O（g）=CO₂（g）+4H₂（g），生成2mol CO₂吸收316kJ热量，则1molCH₄叁加反应时需要吸收的热量为158kJ，所以反应的热化学方程式是CH₄（g）+2H₂O（g）=CO₂（g）+4H₂（g）△H=+158kJ/mol，CO₂与K₂CO₃溶液反应生成碳酸氢钠钾，反应的离子方程式为CO₃^2-+CO₂+H₂O=2HCO₃^-，
故答案为：CH₄（g）+2H₂O（g）=CO₂（g）+4H₂（g）△H=+158kJ/mol；CO₃^2-+CO₂+H₂O=2HCO₃^-；
（4）利用电解法将NH₃•H₂O转化为对环境无污染的物质为氮气，阳极失去电子发生氧化反应，电极反应式为：2NH₃-6e^-+6OH^-=N₂+6H₂O，
故答案为：2NH₃-6e^-+6OH^-=N₂+6H₂O．

点评 本题考查较为综合，涉及热化学方程式的书写、化学平衡的计算、电解池原理、氧化还原反应的计算等知识，题目难度中等，注意利用三段式进行化学平衡的计算，明确反应速率的概念及计算方法，试题培养了学生的分析、理解能力及化学计算能力．