Question

【題目】氮的固定意義重大，氮肥的使用大面積提高了糧食產(chǎn)量。人工固氮最有效的方法是合成氦，一種工業(yè)合成氨的簡(jiǎn)易流程如圖所示(凈化、后期處理等流程未列出)：

回答下列問(wèn)題：

Ⅰ.步驟A制氫氣的原理之一是CH4(g)+2H2O(g)CO2(g)+4H2(g) H=a kJ/mol

(1)已知：H2、CH4的燃燒熱分別為285.8kJ/mol、890.31k/mol；H2O(g)H2O(l) H=-44kJ/mol則a=____kJ/mol。

(2)在密閉容器中，既能加快反應(yīng)速率，又一定能提高平衡體系中H2體積分?jǐn)?shù)的措施是_____(填序號(hào))。

a.加入催化劑 b.升高溫度 c.降低壓強(qiáng) d.增大c(H2O)

Ⅱ.步驟B完成了原料氣準(zhǔn)備后，通過(guò)步驟C合成氨，其原理為N2(g)+3H2(g)2NH3(g) H=-92.4kJ/mol。

(3)若T℃下，向一個(gè)容積為2L的真空密閉容器中(有催化劑)通入lmol N2、3mol H2，1分鐘后達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)，測(cè)得容器內(nèi)的壓強(qiáng)是開(kāi)始時(shí)的0.8倍。則：

①下列敘述可說(shuō)明該反應(yīng)已經(jīng)達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)的是______(填序號(hào))。

a.3v(H2)正=2v(NH3)逆 b.混合氣體的平均相對(duì)分子質(zhì)量不再發(fā)生改變

c.混合氣體的密度不再發(fā)生改變 d. 1個(gè)N≡N鍵斷裂的同時(shí)有3個(gè)H—H鍵生成

②t分鐘內(nèi)v(H2)=_______。

③T℃下該反應(yīng)的K=___________(列出計(jì)算式即可)。

④一定條件下，向體積相同的甲(含催化劑)、乙兩個(gè)容器中分別充入等物質(zhì)的量的N2和等物質(zhì)的量的H2進(jìn)行合成氨反應(yīng)，均反應(yīng)1小時(shí)、測(cè)得N2的轉(zhuǎn)化率隨溫度變化如圖所示，a、b、c三點(diǎn)中達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)的點(diǎn)有_________，乙裝置中N2轉(zhuǎn)化率隨著溫度的升高先升后降的原因可能是______。

(4)我國(guó)科學(xué)家成功研制出一種高效電催化固氮催化劑Mo2N，其固氮原理如圖所示，該裝置中，陰極上的電極反應(yīng)式為______。

Answer 1

【答案】+164.89 b bd mol/(L·min) ac 因合成氨反應(yīng)的H＜0，隨溫度升高N2的轉(zhuǎn)化率應(yīng)降低，但c點(diǎn)之前N2轉(zhuǎn)化率增大，說(shuō)明反應(yīng)未達(dá)平衡狀態(tài)，c點(diǎn)后為隨溫度升高平衡逆向移動(dòng)的結(jié)果 N2+6H++6e－=2NH3

【解析】

(1)因?yàn)?①H2(g)+O2(g)=H2O(l) H=-285.8kJ/mol，②CH4(g)+2O2(g)= CO2(g)+2H2O(l) H=-890.31k/mol，③H2O(g)H2O(l) H=-44kJ/mol，根據(jù)蓋斯定律②-①4+③2得：CH4(g)+2H2O(g) CO2(g)+4H2(g) H=+164.89kJ/mol，故答案：+164.89；

(2)根據(jù)CH4(g)+2H2O(g)CO2(g)+4H2(g) H=+164.89 kJ/mol，在密閉容器中進(jìn)行的反應(yīng)：

a.加入催化劑不會(huì)改變化學(xué)平衡移動(dòng)，故a 不符合題意；

b.升高溫度既能加快反應(yīng)速率，又能使平衡向著吸熱方向移動(dòng)，即提高了平衡體系中H2體積分?jǐn)?shù)，故b 符合題意；

c.降低壓強(qiáng)反應(yīng)速率 減慢，故c不符合題意；

d.增大c(H2O)，沒(méi)有注明狀態(tài)，無(wú)法判斷，故d不符合題意；

故答案：b。

(3)①a.根據(jù)N2(g)+3H2(g)2NH3(g) H=-92.4kJ/mol反應(yīng)，若T℃下2v(H2)正=3v(NH3)逆說(shuō)明該反應(yīng)已經(jīng)達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)，故a不符合題意；

b.混合氣體的平均相對(duì)分子質(zhì)量數(shù)值等于摩爾質(zhì)量=，氣體的總質(zhì)量是個(gè)定值，而反應(yīng)前后化學(xué)計(jì)量數(shù)不等，所以當(dāng)混合氣體的平均相對(duì)分子質(zhì)量不再發(fā)生改變，說(shuō)明該反應(yīng)已經(jīng)達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)，故b符合題意；

c.混合氣體的密度=，因?yàn)轶w積一定，氣體的質(zhì)量不變，所以混合氣體的密度是定值，故混合氣體的密度不再發(fā)生改變，不說(shuō)明該反應(yīng)已經(jīng)達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)，故c不符合題意；

d. 1個(gè)N≡N鍵斷裂說(shuō)明反應(yīng)正向進(jìn)行，同時(shí)有3個(gè)H—H鍵生成說(shuō)明反應(yīng)逆向進(jìn)行，且正逆反應(yīng)速率相等，故1個(gè)N≡N鍵斷裂的同時(shí)有3個(gè)H—H鍵生成可以證明該反應(yīng)已經(jīng)達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)，故d符合題意；

故答案：bd。

②若T℃下根據(jù)反應(yīng)可知

根據(jù)阿伏加德羅定律：=,即=，解得x=0.4，所以 t分鐘內(nèi)v(H2)==mol/(L·min)；

③T℃下該反應(yīng)的平衡常數(shù)K==；

④由圖像可知，a點(diǎn)隨溫度的升高，N2的轉(zhuǎn)化率應(yīng)降低，說(shuō)明平衡逆向移，所以a點(diǎn)是反應(yīng)達(dá)到平衡點(diǎn)；因合成氨反應(yīng)的H＜0，隨溫度升高N2的轉(zhuǎn)化率應(yīng)降低，但c點(diǎn)之前乙裝置中 N2轉(zhuǎn)化率增大，說(shuō)明反應(yīng)未達(dá)平衡狀態(tài)，c點(diǎn)后為隨溫度升高平衡逆向移動(dòng)和正向移動(dòng)的交點(diǎn)，所以c點(diǎn)是達(dá)到平衡的點(diǎn)，故答案：ac；因合成氨反應(yīng)的H＜0，隨溫度升高N2的轉(zhuǎn)化率應(yīng)降低，但c點(diǎn)之前乙裝置中 N2轉(zhuǎn)化率增大，說(shuō)明反應(yīng)未達(dá)平衡狀態(tài)，c點(diǎn)后為隨溫度升高平衡逆向移動(dòng)的結(jié)果；

(4)由裝置圖進(jìn)料口可知：充入N2的一端為陰極，得電子發(fā)生還原反應(yīng)，電解質(zhì)溶液為稀鹽酸，所以陰極上的電極反應(yīng)式為N2+6H++6e－=2NH3，故答案：N2+6H++6e－=2NH3。