Question

氮的固定對人類的生存發展具有重要意義，科學家一直致力于“人工固氮”的新方法研究．
（1）豆科植物的根瘤菌含有一種固氮酶，能在常溫下將空氣中的氮氣轉化為自身生長所需含氮化合物，下列說法錯誤的是

 

．
A．固氮酶是一種蛋白質                     B．固氮酶能降低固氮反應發生所需的能量
C．固氮酶能使固氮反應的平衡正向移動       D．固氮酶能加快固氮反應的速率
（2）合成氨是目前最重要的固氮方法．如圖1為合成氨反應在不同溫度和壓強、使用相同催化劑條件下，初始時氮氣、氫氣的體積比為1：3時，平衡混合物中氨的體積分數的變化曲線．

①A、B兩平衡狀態相比較，前者較大的是

 

．
a．平衡常數
b．平衡混合物的平均摩爾質量
c．氫氣的轉化率
d．從反應開始至達平衡狀態所需要的時間
②圖中p₁、p₂、p₃的大小順序為

 

．
③在250℃、p₂下，H₂的轉化率為

 

%（結果保留小數點后1位）．
（3）據報道：在常溫、常壓、光照條件下，N₂在催化劑（摻有少量Fe₂O₃的TiO₂）表面與水發生反應，生成的主要產物為NH₃和一種單質．已知：①H₂（g）+

1

2

O₂（g）═H₂O（1）△H_l═-285.6kJ/mol②N₂（g）+3H₂（g）═2NH₃（g）△H₂═-92.2kJ/mol
寫出此條件下氮氣和水反應的熱化學方程式

 

．
（4）如圖2為一種常溫常壓下水溶液中電化學合成氨的實驗裝置示意圖．請據此寫出其正極反應的電極反應式

 

．

Answer 1

考點：化學平衡的調控作用,工業合成氨,氮的固定

專題：化學平衡專題,元素及其化合物

分析：（1）酶屬于蛋白質，所以固氮酶為一種蛋白質，根據題干信息可知，固氮酶“可以在常溫下將空氣中的氮氣轉化為自身生長所需含氮化合物”，說明大大降低了固定反應發生所需能量、提高了反應速率，但是固氮酶不會影響固定反應的化學平衡；
（2）①B的溫度大于A，根據溫度對可逆反應N₂（g）+3H₂（g）═2NH₃（g）△H₂═-92.2kJ/mol的影響判斷平衡常數大小；A、B出氨氣的體積分數相等，則各組分的含量相等，混合氣體的平均摩爾質量、氫氣的轉化率越大相等；B的壓強、溫度大于A，據此判斷達到平衡狀態所需時間大小；
②根據溫度相同時，氨氣的體積分數大小及壓強對合成氨的反應的影響判斷壓強p₁、p₂、p₃的大小大小；
③在250℃、p₂下氨氣的體積分數為50%列式計算出達到平衡時消耗氫氣的物質的量，再計算出氫氣的轉化率；
（3）先根據反應物和生成物寫出方程式：2N₂（g）+6H₂O（l）=4NH₃（g）+3O₂（g），再根據蓋斯定律及題中熱化學方程式計算出目標反應的焓變，最后寫出其熱化學方程式即可；
（4）根據圖2可知，正極發生氧化反應，氮氣失去電子與水電離的氫離子結合生成氨氣，據此寫出電極反應式．

解答： 解：（1）A．酶都屬于蛋白質，所以固氮酶是一種蛋白質，故A正確；                     
B．固氮酶起到了催化劑的作用，所以固氮酶能降低固氮反應發生所需的能量，使反應在常溫下就可以進行，故B正確；
C．催化劑只能改變反應速率，不能影響化學平衡，所以固氮酶不能使固氮反應的平衡正向移動，故C錯誤；       
D．催化劑能夠加快反應速率，所以固氮酶能加快固氮反應的速率，故D正確；
故答案為：C；
（2）①a．平衡常數只受溫度影響，根據圖象可知，A點的溫度小于B，合成氨的反應為放熱反應，溫度升高，平衡向著逆向移動，平衡常數減小，所以A的平衡常數大于B，故A正確；
b．A、B都處于平衡狀態時，氨氣的體積分數相等，則氮氣和氫氣的體積分數也相等，則混合氣體的平均摩爾質量：A=B，故B錯誤；
c．氫氣的轉化率：由于A、B達到平衡狀態時各組分的含量完全相同，所以氫氣的轉化率：A=B，故c錯誤；
d．B的壓強、溫度都大于A，則B的反應速率大于A，所以B優先達到平衡狀態，即從反應開始至達平衡狀態所需要的時間：A＞B，故d正確；
故答案為：ad；
②相同溫度下，壓強增大，平衡向著正向移動，氨氣的體積分數增大，氨氣的體積分數關系為：p₁＞p₂＞p₃，則壓強大小為：p₁＞p₂＞p₃，
故答案為：p₁＞p₂＞p₃，
③在250℃、1.0×10⁴kPa下，初始時氮氣、氫氣的體積比為1：3，氨氣的體積分數為50%，設氮氣的轉化率為x，則
       N₂+3H₂?2NH₃
開始   1   3    0
轉化   x   3x  2x
平衡  1-x 3-3x  2x
所以

2x

4-2x

=50%，解得x=

2

3

，
則氫氣的轉化率為：

3× 2 3

3

×100%≈66.7%，
故答案為：66.7；
（3）①H₂（g）+

1

2

O₂（g）═H₂O（1）△H_l═-285.6kJ/mol②N₂（g）+3H₂（g）═2NH₃（g）△H₂═-92.2kJ/mol，
氮氣與水反應的化學方程式為：2N₂（g）+6H₂O（l）=4NH₃（g）+3O₂（g），
根據蓋斯定律，②×2-①×6可得：2N₂（g）+6H₂O（l）=4NH₃（g）+3O₂（g）△H=2△H₂-6△H_l═+1529.2kJ/mol，
故答案為：2N₂（g）+6H₂O（l）=4NH₃（g）+3O₂（g）△H=+1529.2kJ/mol；
（4）根據圖示可知，電解質陽極氮氣失去電子發生氧化反應生成氨氣，電極反應式為：N₂-6e^-+6H₂O=2NH₃+6OH^-（或N₂-6e^-+6H⁺=2NH₃），
故答案為：N₂-6e^-+6H₂O=2NH₃+6OH^-（或N₂-6e^-+6H⁺=2NH₃）．

點評：本題考查制備實驗方案的設計，綜合性較強，題目難度較大，涉及化學平衡及計算、電解池原理、熱化學反應等高考常考考點，注重學生能力的訓練，把握圖象及數據處理即可解答．