Question

【題目】氮的固定是幾百年來(lái)科學(xué)家一直研究的課題。請(qǐng)回答下列問(wèn)題：

(1)下表列舉了不同溫度下大氣固氮和工業(yè)固氮的部分K值。

反應(yīng)	大氣固氮 N2 (g)+O2 (g)2NO(g)		工業(yè)固氮 N2 (g)+3H2 (g)2NH3(g)
溫度/℃	27	2000	25	400	450
K	3.84×10－31	0.1	5×108	0.507	0.152

①分析數(shù)據(jù)可知：大氣固氮反應(yīng)屬于 ________(填“吸熱”或“放熱”)反應(yīng)。

②分析數(shù)據(jù)可知：人類不適合大規(guī)模模擬大氣固氮的原因是 ________。

③從平衡視角考慮，工業(yè)固氮應(yīng)該選擇常溫條件，但實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)卻選擇500℃左右的高溫，解釋其原因 ________。

(2)已知工業(yè)固氮反應(yīng)：N2（g）+ 3H2（g）2NH3（g）ΔH ＝－94.4kJ·mol－1，恒容時(shí)，體系中各物質(zhì)濃度隨時(shí)間變化的曲線如圖1所示，各時(shí)間段最終均達(dá)平衡狀態(tài)。

①在2L容器中發(fā)生反應(yīng)，前20min內(nèi)，ν(NH3) ＝ ________。

②25 min時(shí)采取的某種措施是 ________。

③時(shí)段III條件下反應(yīng)的平衡常數(shù)為 ________ L2· mol－2(保留3位有效數(shù)字) 。

(3)20世紀(jì)末，科學(xué)家采用高質(zhì)子導(dǎo)電性的SCY陶瓷(能傳遞H+)為介質(zhì)，用吸附在它內(nèi)外表面上的金屬鈀多晶薄膜做電極，實(shí)現(xiàn)高溫常壓下的電解法合成氨，提高了反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率，其實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)圖如圖2所示，陰極的電極反應(yīng)式是 ________。

(4)近年，又有科學(xué)家提出在常溫、常壓、催化劑等條件下合成氨氣的新思路，反應(yīng)原理為：2N2(g)+6H2O(l)4NH3(g)+3O2(g)，則其反應(yīng)熱ΔH ＝ ________。已知：N2(g)+ 3H2(g)2NH3(g) ΔH1 ＝－92.4kJ·mol－1 2H2(g) +O2(g)2H2O(l) ΔH2 ＝－571.6kJ·mol－1

Answer 1

【答案】吸熱 K值小，正向進(jìn)行的程度�。ɑ蜣D(zhuǎn)化率低），不適合大規(guī)模生產(chǎn) 從反應(yīng)速率角度考慮，高溫更好，但從催化劑活性等綜合因素考慮選擇500℃左右合適 0.050（或0.05）mol/（L·min） 將NH3從反應(yīng)體系中分離出去 2.37 N2+6e-+6H+=2NH3 +1530.0 kJ·mol－1

【解析】

（1）①溫度越高，K越大，說(shuō)明升高溫度，平衡正移；
②K值很小，轉(zhuǎn)化率很�。�

③從影響化學(xué)反應(yīng)速率與化學(xué)平衡的角度即經(jīng)濟(jì)效益分析實(shí)際操作問(wèn)題；
（2）①根據(jù)ν= 計(jì)算出前20min內(nèi)氨氣的平均反應(yīng)速率ν(NH3)；
②根據(jù)25min時(shí)氨氣的物質(zhì)的量變?yōu)?/span>0，而氮?dú)夂蜌錃獾奈镔|(zhì)的量不變進(jìn)行解答，改變的條件是分離出氨氣；
③根據(jù)時(shí)段Ⅲ條件下達(dá)到平衡時(shí)各組分的濃度及平衡常數(shù)等于生成物平衡濃度冪次方乘積除以反應(yīng)物平衡濃度冪次方乘積進(jìn)行解答；

（3）氮?dú)庠陉帢O得電子生成氨氣；

（4）已知：①N2（g）+3H2（g）2NH3（g）△H=-92.4kJmol-1，
②2H2（g）+O2（g）2H2O（l）△H=-571.6kJmol-1，
由蓋斯定律：①×2-②×3得2N2（g）+6H2O（l）4NH3（g）+3O2（g），據(jù)此分析。

（1）①由表格數(shù)據(jù)可知，溫度越高，K越大，說(shuō)明升高溫度，平衡正移，則正反應(yīng)方向?yàn)槲鼰岱磻?yīng)，

故答案為：吸熱；

②由表格數(shù)據(jù)可知，2000℃時(shí)，K=0.1，K值很小，則轉(zhuǎn)化率很小，不適合大規(guī)模生產(chǎn)，所以人類不適合大規(guī)模模擬大氣固氮，

故答案為：K值小，正向進(jìn)行的程度小(或轉(zhuǎn)化率低)，不適合大規(guī)模生產(chǎn)；

③結(jié)合表格可以看出，工業(yè)固氮的反應(yīng)平衡常數(shù)隨著溫度的升高而降低，為放熱反應(yīng)，但溫度升高，化學(xué)反應(yīng)速率會(huì)增大，但催化劑也受溫度影響，有適當(dāng)?shù)臏囟认禄钚宰畲�，綜合考慮，可選擇溫度為500℃左右合適，其原因可解釋為：從反應(yīng)速率角度考慮，高溫更好，但從催化劑活性等綜合因素考慮選擇500℃左右合適，

故答案為：從反應(yīng)速率角度考慮，高溫更好，但從催化劑活性等綜合因素考慮選擇500℃左右合適；

（2）①根據(jù)圖象可知，20min時(shí)氨氣的物質(zhì)的量濃度為1.00 mol/L，所以氨氣的平均反應(yīng)速率為：ν(NH3) = = = 0.050（或0.05）mol/（L·min）

故答案為：0.050（或0.05）mol/（L·min）；

②25 min時(shí)氨氣的物質(zhì)的量迅速變?yōu)?/span>0而氮?dú)�、氫氣的物質(zhì)的量不變,之后氮?dú)狻�氫氣的物質(zhì)的量逐漸減小，氨氣的物質(zhì)的量逐漸增大，說(shuō)明25 min時(shí)改變的條件是將NH3從反應(yīng)體系中分離出去，

故答案為：將NH3從反應(yīng)體系中分離出去；

③時(shí)段Ⅲ條件下，其反應(yīng)為：N2(g)+3H2(g)2NH3(g)，圖象方向可知平衡狀態(tài)下c(N2) = 0.25 mol/L，c(NH3) = 0.50 mol/L，c(H2) = 0.75 mol/L，則該反應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù)為：K= = = 2.37

故答案為：2.37；

(3)電解池中氮?dú)庠陉帢O得電子生成氨氣，其電極方程式為：N2+6e-+6H+=2NH3，

故答案為：N2+6e-+6H+=2NH3；

(4)已知：①N2(g)+ 3H2(g)2NH3(g) ΔH1 ＝－92.4 kJ·mol－1，

②2H2(g) +O2(g)2H2O(l) ΔH2 ＝－571.6 kJ·mol－1，

由蓋斯定律：①×2②×3得2N2(g)+6H2O(l)4NH3(g)+3O2(g)，則△H=(92.4 kJml1)×2(571.6 kJmol1)×3 = + 1530.0 kJmol1；

故答案為：+ 1530.0 kJmol1。