Question

氮是地球上含量豐富的一種元素，氮及其化合物在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生活中有著重要作用，工業(yè)上采用各種方法進行人工固氮合成氮的化合物．
請回答下列問題：
（1）工業(yè)合成氨反應(yīng)的化學(xué)方程式為：N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H=-92.2kJ/mol．我國合成氨工業(yè)目前的生產(chǎn)條件為：催化劑-鐵觸媒，溫度-400～500℃，壓強-30～50MPa．從化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡角度解釋合成氨工業(yè)中原料氣壓縮到30～50MPa的原因是

 

．
（2）下表為不同溫度下上述反應(yīng)的平衡常數(shù)，由此可推知，表中T₁

 

573K（填“＞”、“＜”或“=”）．

T/K	T1	573	T3
K	1.00×107	2.54×105	1.88×103

（3）實驗室模擬工業(yè)合成氨的生產(chǎn)，在一容積為2L的恒容密閉容器內(nèi)加入0.2mol的N₂和0.6mol的H₂，進行如下化學(xué)反應(yīng)：N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g），反應(yīng)中NH₃的物質(zhì)的量濃度的變化情況如圖：

①反應(yīng)至4min達(dá)平衡，根據(jù)如圖，計算從反應(yīng)開始到平衡時，平均反應(yīng)速率v（N₂）=

 

．
②下列各項能作為判斷該反應(yīng)達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)的依據(jù)的是

 

（填字母）．
A．?dāng)嚅_3mol H-H鍵時，形成6mol N-H鍵
B．v（N₂）_正：v（H₂）_正=1：3
C．容器內(nèi)氣體的相對分子量保持不變
D．容器中氣體的壓強保持不變
③在第5min末將容器的體積縮小一半后，若在第8min末達(dá)到新的平衡（此時NH₃的濃度約為0.25mol/L），請在圖中畫出第5min末達(dá)到此平衡時NH₃濃度的變化曲線．
（4）合成氨工業(yè)中原料氣H₂可用甲烷在高溫下與水蒸氣反應(yīng)制得，化學(xué)反應(yīng)方程式為：
CH₄（g）+H₂O（g）

高溫  .

 CO（g）+3H₂（g）．部分物質(zhì)的燃燒熱對應(yīng)的熱效應(yīng)數(shù)據(jù)如下表：

物  質(zhì)	燃燒熱（kJ?mol-1）
H2（g）	△H1
CO（g）	△H2
CH4（g）	△H3

已知：H₂O（g）═H₂O（l）△H₄．寫出CH₄和H₂O在高溫下反應(yīng)的熱化學(xué)方程式中△H=

 

（用△H₁、△H₂、△H₃、△H₄表示）．
（5）工業(yè)合成氨氣需要的反應(yīng)條件非常高且產(chǎn)量低，科學(xué)家采用高質(zhì)子導(dǎo)電性的SCY陶瓷（能傳遞H⁺）實現(xiàn)氨的電化學(xué)合成．電化學(xué)合成氨過程的總反應(yīng)式為：N₂+3H₂

通電      .

一定條件

2NH₃，則在電化學(xué)合成氨的過程中，通N₂的一端應(yīng)接電源的

 

極，陽極反應(yīng)式為

 

．

Answer 1

考點：物質(zhì)的量或濃度隨時間的變化曲線,化學(xué)電源新型電池,化學(xué)平衡的調(diào)控作用,化學(xué)平衡狀態(tài)的判斷

專題：基本概念與基本理論

分析：（1）由外界條件對化學(xué)平衡以及化學(xué)反應(yīng)速率的影響分析；
（2）反應(yīng)是放熱反應(yīng)，升溫平衡逆向進行，平衡常數(shù)減��；
（3）①依據(jù)反應(yīng)速率概念計算，V

△c

△t

得到，先依據(jù)圖象計算氨氣的反應(yīng)速率，結(jié)合反應(yīng)速率之比等于化學(xué)方程式計量數(shù)之比得到氮氣反應(yīng)速率；
②平衡標(biāo)志是正逆反應(yīng)速率相同，各組分含量保持不變分析選項；
③第5分鐘末將容器的體積縮小一半后，氨氣的濃度為原來的一倍，壓強增大平衡向正方向移動，氨氣的濃度逐漸增大，到8min時達(dá)到平衡，濃度約為0.25mol/L，以此解答；
（4）寫出各反應(yīng)的熱化學(xué)方程式，根據(jù)各反應(yīng)的熱化學(xué)方程式，利用蓋斯定律解答；
（5）依據(jù)電解原理分析，陽極是失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，陰極是得到電子發(fā)生還原反應(yīng)，結(jié)合化學(xué)反應(yīng)的方程式中元素化合價變化判斷得到，電極名稱和電極反應(yīng)．

解答： 解：（1）合成氨反應(yīng)的化學(xué)方程式為：N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H=-92.2kJ/mol，反應(yīng)物氣體的化學(xué)計量數(shù)大于生成物氣體的化學(xué)計量數(shù)，則加壓有利于平衡正向移動，提高原料氣的轉(zhuǎn)化率，升高溫度雖然不利于平衡向正反應(yīng)方向移動，但能增大反應(yīng)速率，縮短達(dá)到平衡的時間．
故答案為：加壓使化學(xué)反應(yīng)速率加快，有利于平衡正向移動，提高原料氣的轉(zhuǎn)化率；
（2）工業(yè)合成氨反應(yīng)的化學(xué)方程式為：N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H=-92.2kJ/mol，反應(yīng)是放熱反應(yīng)，升溫平衡逆向進行，平衡常數(shù)減小，則T₁＜573K；
故答案為：＜；  
（3）①圖象分析可知氨氣平衡濃度為0.1mol/L，則V（NH₃）=

0.1mol/L

4min

=0.025mol/L?min，V（N₂）=

1

2

V（NH₃）=

1

2

×0.025mol/L?min=0.0125mol/（L?min）；
故答案為：0.0125mol/（L?min）；
 ②反應(yīng)N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H=-92.2kJ/mol，氣體體積減小的放熱反應(yīng)；
A．?dāng)嚅_3mol H-H鍵時，形成6mol N-H鍵，是表示這些進行，不能說明反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，故A錯誤；
B．v（N₂）_正：v（H₂）_正=1：3，是正反應(yīng)速率之比，不能酸鈉正逆反應(yīng)速率相同，故B錯誤；
C．反應(yīng)前后氣體質(zhì)量不變，物質(zhì)的量減小，容器內(nèi)氣體的相對分子量保持不變，說明反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，故C正確；
D．反應(yīng)前后氣體物質(zhì)的量變化，容器中氣體的壓強保持不變，說明反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，故D正確；
故答案為：C D；
③第5分鐘末將容器的體積縮小一半后，氨氣的濃度為原來的一倍，壓強增大平衡向正方向移動，氨氣的濃度逐漸增大，到8min時達(dá)到平衡，濃度約為0.25mol/L，故答案為：；
（4）由表中數(shù)據(jù)可知：①H₂（g）+

1

2

O₂（g）=H₂O（l）△H₁kJ?mol^-1，
②CO（g）+

1

2

O₂（g）=CO₂（g）△H₂kJ?mol^-1，
③CH₄（g）+2O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l）△H₃kJ?mol^-1，
④H₂O（g）=H₂O（l）△H₄kJ?mol^-1，
利用蓋斯定律，將③+④-①×3-②可得：CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g）△H=（△H₃+△H₄-3△H₁-△H₂）kJ?mol^-1，
故答案為：△H₃+△H₄-3△H₁-△H₂；
（5）電解池的陽極發(fā)生氧化反應(yīng)，陰極發(fā)生還原反應(yīng)，所以氫氣不斷通入陽極，失電子生成氫離子，電極反應(yīng)為：H₂-2e^-=2H⁺；通氮氣一端為陰極和電源負(fù)極連接，氮氣得到電子結(jié)合氫離子反應(yīng)生成氨氣，電極反應(yīng)為：N₂+6H⁺+6e^-=2NH₃，
故答案為：負(fù)極，H₂-2e^-=2H⁺；

點評：本題考查了化學(xué)反應(yīng)速率影響因素分析，化學(xué)平衡標(biāo)志判斷，熱化學(xué)方程式計算應(yīng)用，電解池原理和電極反應(yīng)書寫，圖象繪制是解題關(guān)鍵，題目難度中等．