Question

【題目】1905年哈珀開發實現了以氮氣和氫氣為原料合成氨氣，生產的氨制造氮肥服務于農業，養活了地球三分之一的人口，哈珀也因此獲得了1918年的諾貝爾化學獎。一百多年 過去了，對合成氨的研究依然沒有止步。

(1)工業合成氨的反應如下：N2+3H2[Failed to download image : http://192.168.0.10:8086/QBM/2019/7/13/2245969899560960/2261668607328257/STEM/18355b169b6e4ed78e62319f34325284.png]2NH3。已知斷裂1molN2中的共價鍵吸收的能量為946kJ，斷裂1molH2中的共價鍵吸收的能量為436kJ，形成1molN-H鍵放出的能量為391kJ，則由N2和H2生成2molNH3 的能量變化為__________kJ。 下圖能正確表示該反應中能量變化的是__________（填“A”或“B”）。

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(2)反應2NH3(g)[Failed to download image : http://192.168.0.10:8086/QBM/2019/7/13/2245969899560960/2261668607328257/STEM/18355b169b6e4ed78e62319f34325284.png] N2(g)+3H2(g)在三種不同條件下進行，N2、H2的起始濃度為 0，反應物 NH3的濃度(mol/L)隨時間(min)的變化情況如下表所示。

[Failed to download image : http://192.168.0.10:8086/QBM/2019/7/13/2245969899560960/2261668607328257/STEM/c330baf54e054420bc680de847e14d25.png]

根據上述數據回答：實驗①②中，有一個實驗使用了催化劑，它是實驗_____(填序號）；實驗③達平衡時NH3的轉化率為___________。在恒溫恒容條件下，判斷該反應達到化學平衡狀態的標志是_________（填序號）。

a. NH3的正反應速率等于逆反應速率 b.混合氣體的密度不變

c.混合氣體的壓強不變 d.c(NH3)=c(H2)

(3)近日美國猶他大學 Minteer教授成功構筑了H2—N2生物燃料電池。該電池類似燃料電池原理，以氮氣和氫氣為原料、氫化酶和固氮酶為兩極催化劑、質子交換膜(能夠傳遞H+)為隔膜，在室溫條件下即實現了氨的合成同時還能提供電能。則A電極為_____極（填“正”、“負”），B電極發生的電極反應式為_______，該電池放電時溶液中的H+向___極移動（填“A”、“B”）。

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Answer 1

【答案】92 A ② 80% ac 負 N2+6e-+6H+=2NH3 B

【解析】

(1)反應熱為斷鍵吸收的能量與成鍵放出的能量差，據此解答；

(2)根據催化劑可以加快反應速率，縮短達到平衡所需要的時間分析；

物質的平衡轉化率等于轉化率與起始加入量的比；

根據反應達到平衡時，任何物質的物質的量不變，反應速率不變，物質的含量不變判斷；

(3)根據在原電池反應中，負極失去電子，發生氧化反應，正極上獲得電子，發生還原反應，結合電解質溶液中同種電荷相互排斥，異種電荷相互吸引的原則分析。

(1) Q=946kJ+436kJ×3-391kJ×6=-92kJ，說明該反應發生放出92kJ能量，反應物的能量比生成物的能量高，因此合理選項是A；

(2)實驗①、②開始加入量相同，一個使用了催化劑。由于催化劑可以加快反應速率，縮短達到平衡所需要的時間，根據表格數據可知實驗②先達到平衡，所以實驗②是使用了催化劑的情況。

實驗③反應開始時NH3的物質的量是1mol，達平衡時NH3的物質的量是0.2mol，反應了0.8mol，所以NH3的平衡轉化率為(0.8mol÷1mol)×100%=80%；

a.NH3的正反應速率等于逆反應速率，則氨氣的物質的量不變，其物質的量濃度不變，反應處于平衡狀態，a合理；

b.由于容器的容積不變，反應混合物都是氣體，在任何情況下混合氣體的密度都保持不變，因此不能據此判斷反應是否處于平衡狀態，b錯誤；

c.反應是前后氣體體積不等的反應，若未達到平衡，則容器內氣體壓強會發生變化，現在混合氣體的壓強不變，則反應處于平衡狀態，c正確；

d.c(NH3)=c(H2)，反應可能處于平衡狀態，也可能未處于平衡狀態，這與反應條件有關，d錯誤；

故合理選項是ac；

(3)根據燃料電池實現反應N2+3H2=2NH3的轉化，由于在該反應中H元素化合價升高，失去電子，N元素化合價降低，獲得電子，所以通入氫氣的A電極為負極，通入N2的B電極為正極，N2獲得電子，與溶液中的H+結合形成NH3，因此B電極發生的電極反應式為N2+6e-+6H+=2NH3，該電池放電時，由于負極上H2失去電子變為H+進入溶液中，負極附近溶液中H+濃度增大，電子由導線流入正極B上，根據同種電荷相互排斥，異種電荷相互吸引的原則，溶液中的H+向正極B極移動。