Question

科學(xué)家一直致力于研究常溫、常壓下“人工固氮”的新方法．曾有實(shí)驗(yàn)報(bào)道：在常溫、常壓、光照條件下，N₂在催化劑（摻有少量Fe₂O₃的TiO₂）表面與水發(fā)生反應(yīng)，生成的主要產(chǎn)物為NH₃．進(jìn)一步研究NH₃生成量與溫度的關(guān)系，部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見下表（光照、N₂壓力1.0×10⁵ Pa、反應(yīng)時(shí)間3h）：

T/K	303	313	323	353
NH3生成量/（10-6 mol）	4.8	5.9	6.0	2.0

相應(yīng)的化學(xué)方程式：N₂（g）+3H₂O（l）?2NH₃（g）+

3

2

O₂（g）△H=+765.2kJ?mol^-1
回答下列問題：
（1）該反應(yīng)在較低溫度下能否自發(fā)進(jìn)行？

 

；
（2）從323K到353K，氨氣的生成量減少的原因

 

；
（3）請(qǐng)畫出上述反應(yīng)在有催化劑與無催化劑兩種情況下反應(yīng)過程中體系能量變化示意圖1，并進(jìn)行必要標(biāo)注；

（4）工業(yè)合成氨的反應(yīng)為N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）．設(shè)在容積為2.0L的密閉容器中充入0.60mol N₂（g）和1.60mol H₂（g），反應(yīng)在一定條件下達(dá)到平衡時(shí)，NH₃的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)（NH₃的物質(zhì)的量與反應(yīng)體系中總的物質(zhì)的量之比）為

4

7

．該條件下反應(yīng)2NH₃（g）?N₂（g）+3H₂（g）的平衡常數(shù)為

 

；
（5）利用N₂和H₂可以實(shí)驗(yàn)NH₃的工業(yè)合成，而氨又可以進(jìn)一步制備硝酸，在工業(yè)上一般可進(jìn)行連續(xù)生產(chǎn)．請(qǐng)回答下列問題：
已知：N₂（g）+O₂（g）═2NO（g）△H=+180.5kJ?mol^-1
N₂（g）+3H₂（g）═2NH₃（g）△H=-92.4kJ?mol^-1
2H₂（g）+O₂（g）═2H₂O（g）△H=-483.6kJ?mol^-1
則氨氣經(jīng)催化氧化生成一氧化氮?dú)怏w和水蒸氣的熱化學(xué)方程式為

 

；
（6）對(duì)反應(yīng)N₂O₄（g）?2NO₂（g），在溫度分別為T₁、T₂時(shí)，平衡體系中NO₂的體積分?jǐn)?shù)隨壓強(qiáng)變化曲線如圖2所示．下列說法正確的是

 

；
A．A、C兩點(diǎn)的反應(yīng)速率：A＞C
B．B、C兩點(diǎn)的氣體的平均相對(duì)分子質(zhì)量：B＜C
C．A、C兩點(diǎn)氣體的顏色：A深，C淺
D．由狀態(tài)B到狀態(tài)A，可以用加熱的方法
（7）現(xiàn)以H₂、O₂、熔融鹽Na₂CO₃組成的燃料電池，采用電解法制備N₂O₅，裝置如圖3所示，其中Y為CO₂．寫出石墨I(xiàn)電極上發(fā)生反應(yīng)的電極反應(yīng)式

 

；在電解池中生成1molN₂O₅轉(zhuǎn)移電子的物質(zhì)的量為

 

．

Answer 1

分析：（1）當(dāng)△G=△H-T?△S＜0時(shí)，反應(yīng)能自發(fā)進(jìn)行；
（2）該正反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，升高溫度，氨的含量應(yīng)增大，但從323K到353K，氨氣的生成量減少，只能是發(fā)生了其他反應(yīng)；
（3）催化劑能降低反應(yīng)的活化能，使反應(yīng)速率加快，但不影響平衡，即不影響反應(yīng)熱，由此作圖；
（4）先設(shè)氮?dú)獾霓D(zhuǎn)化率，再根據(jù)參加反應(yīng)的氮?dú)獾牧坑?jì)算平衡時(shí)生成氨氣的物質(zhì)的量、剩余氮?dú)獾奈镔|(zhì)的量和剩余氫氣的物質(zhì)的量，再結(jié)合氨氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)算氨氣的轉(zhuǎn)化率．根據(jù)轉(zhuǎn)化率計(jì)算平衡濃度，代入平衡表達(dá)式K=

c(N2)?c3(H2)

c2(NH3)

計(jì)算平衡常數(shù)；
（5）由已知熱化學(xué)方程式根據(jù)蓋斯定律構(gòu)造目標(biāo)熱化學(xué)方程式；
（6）N₂O₄（g）═2NO₂（g）為分解反應(yīng)，故該反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，升高溫度，化學(xué)平衡正向移動(dòng)，NO₂的體積分?jǐn)?shù)增大；增大壓強(qiáng)，化學(xué)平衡逆向移動(dòng)，NO₂的體積分?jǐn)?shù)減小，結(jié)合圖象來分析解答．
A、A、C兩點(diǎn)都在等溫線上，壓強(qiáng)越大，反應(yīng)速率越快；
B、B、C兩點(diǎn)組成相同，據(jù)此判斷．
C、增大壓強(qiáng)平衡向逆反應(yīng)進(jìn)行，向逆反應(yīng)進(jìn)行是由于壓強(qiáng)增大導(dǎo)致濃度增大趨勢(shì)，但到達(dá)平衡仍比原平衡濃度大；
D、壓強(qiáng)相同，升高溫度，化學(xué)平衡正向移動(dòng)，NO₂的體積分?jǐn)?shù)增大，A點(diǎn)NO₂的體積分?jǐn)?shù)大；
（7）燃料原電池中，負(fù)極上燃料失電子發(fā)生氧化反應(yīng)；先根據(jù)化合價(jià)判斷生成N₂O₅的電極，再根據(jù)離子的放電順序?qū)懗鲭姌O反應(yīng)式．

解答：解：（1）因該反應(yīng)的△H＞，△S＞0，根據(jù)△G=△H-T?△S＜0反應(yīng)可自發(fā)進(jìn)行，故低溫時(shí)△G＞0，所以低溫時(shí)不能自發(fā)進(jìn)行；
故答案為：不能；
（2）根據(jù)N₂（g）+3H₂O（l）?2NH₃（g）+

3

2

O₂（g）△H=+765.2kJ?mol^-1，此正反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，根據(jù)平衡移動(dòng)原理，升高溫度，
平衡向吸熱方向移動(dòng)，氨的量應(yīng)增加，從303K-323K，符合平衡移動(dòng)規(guī)律，但從323K-353K，氨的量隨溫度的升高而降低，不符合平
衡移動(dòng)原理，只能是發(fā)生了其他反應(yīng)，即在高溫下，氨氣易被氧氣氧化生成一氧化氮和水，
故答案為：氨氣在高溫下被氧氣氧化；
（3）催化劑能降低反應(yīng)的活化能，使反應(yīng)速率加快，但不影響平衡，即不影響反應(yīng)熱，由此作圖，故答案為：
；
（4）設(shè)氮?dú)獾霓D(zhuǎn)化率是x．
        N₂ +3H₂ ?2NH₃
反應(yīng)前  0.6      1.6     0
 反應(yīng) 0.6x      1.8x     1.2x
平衡 0.6（1-x） 1.6-1.8x 1.2x
平衡時(shí)，NH₃的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)=

1.2x

0.6(1-x)+1.6-1.8x+1.2x

=

4

7

，
解得：x=

2

3

．
故平衡時(shí)氮?dú)獾奈镔|(zhì)的量濃度=

0.6(1- 2 3 )mol

2.0L

=0.1mol/L，
氫氣的物質(zhì)的量濃度=

(1.6-1.8× 2 3 )mol

2.0L

═0.2mol/L，
氨氣的物質(zhì)的量濃度=

1.2× 2 3 mol

2.0L

=0.4mol/L，
平衡常數(shù)K=

c(N2)?c3(H2)

c2(NH3)

=

0.1×0．23

0．42

=5.0×10^-3，
故答案為：5.0×10^-3；
（5）已知：①N₂（g）+O₂（g）=2NO（g）△H=+180.5kJ/mol
②N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H=-92.4kJ/mol
③2H₂（g）+O₂（g）=2H₂O（g）△H=-483.6kJ/mol
由蓋斯定律可知，①×2-②×2+③×3得：4NH₃（g）+5O₂（g）═4NO（g）+6H₂O（g）△H=-905.0kJ/mol，
故答案為：4NH₃（g）+5O₂（g）═4NO（g）+6H₂O（g）△H=-905.0kJ/mol；
（6）A．由圖象可知，A、C兩點(diǎn)都在等溫線上，C的壓強(qiáng)大，則A、C兩點(diǎn)的反應(yīng)速率：A＜C，故A錯(cuò)誤；
B．由圖象可知，B、C兩點(diǎn)二氧化氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同，故此兩點(diǎn)平均相對(duì)分子質(zhì)量相等：B=C，故B錯(cuò)誤；
C．由圖象可知，A、C兩點(diǎn)都在等溫線上，C的壓強(qiáng)大，與A相比C點(diǎn)平衡向逆反應(yīng)進(jìn)行，向逆反應(yīng)進(jìn)行是由于減小體積增大壓強(qiáng)，平衡移動(dòng)的結(jié)果降低
NO₂濃度增大趨勢(shì)，但到達(dá)平衡仍比原平衡濃度大，平衡時(shí)NO₂濃度比A的濃度高，NO₂為紅棕色氣體，則A、C兩點(diǎn)氣體的顏色：A淺，C深，故C錯(cuò)誤；
D．升高溫度，化學(xué)平衡正向移動(dòng)，NO₂的體積分?jǐn)?shù)增大，由圖象可知，A點(diǎn)NO₂的體積分?jǐn)?shù)大，則T₁＜T₂，由狀態(tài)B到狀態(tài)A，可以用加熱的方法，故D正確；
故答案為：D；
（7）燃料原電池中，負(fù)極上燃料失電子和碳酸根離子反應(yīng)生成二氧化碳和水，電極反應(yīng)式為H₂+CO₃^2--2e^-=CO₂+H₂O；
N₂O₅中氮元素的化合價(jià)是+5價(jià)，而硝酸中氮元素也是+5價(jià)．因此應(yīng)該在左側(cè)生成N₂O₅，即在陽極區(qū)域生成，據(jù)電極反應(yīng)離子放電順序可知：陰極發(fā)生2H⁺+2e^-=H₂↑的反應(yīng)，則陽極為N₂O₄+2HNO₃-2e^-=2N₂O₅+2H⁺，故生成1molN₂O₅轉(zhuǎn)移電子的物質(zhì)的量為1mol，故答案為：H₂+CO₃^2--2e^-=CO₂+H₂O；1mol．

點(diǎn)評(píng)：本題考查知識(shí)點(diǎn)較多，反應(yīng)方向的判斷、平衡的移動(dòng)、平衡常數(shù)的計(jì)算、蓋斯定律計(jì)算反應(yīng)熱、電化學(xué)原理等，中等難度．注意（2）問不能用平衡解釋，只能是改變了反應(yīng)原理，（6）問要先根據(jù)分解反應(yīng)判斷是吸熱是關(guān)鍵，然后結(jié)合圖象分析，（7）問注意介質(zhì)參與反應(yīng)．