Question

12．人工固氮是指將氮元素由游離態轉化為化合態的過程．
Ⅰ．最近一些科學家研究采用高質子導電性的SCY陶瓷（能傳遞H⁺）實驗氮的固定---電解法合成氨，大大提高了氮氣和氫氣的轉化率．總反應式為：N₂+3H₂$?_{一定條件}^{SCT陶瓷}$2NH₃．則在電解法合成氨的過程中，應將H₂不斷地通入陽極（填“陰”或“陽”）；向另一電極通入N₂，該電極的反應式為N₂+6H⁺+6e^-=2NH₃．
Ⅱ．據報道，在一定條件下，N₂在摻有少量氧化鐵的二氧化鈦催化劑表面能與水發生反應，主要產物為NH₃，相應的反應方程式為：2N₂（g）+6H₂O（g）═4NH₃（g）+3O₂（g）△H=Q
（1）上述反應的平衡常數表達式為$\frac{{c}^{4}（N{H}_{3}）×{c}^{3}（{O}_{2}）}{{c}^{2}（{N}_{2}）×{c}^{2}（{H}_{2}O）}$．
（2）取五份等體積N₂和H₂O的混合氣體（物質的量之比均為1：3），分別加入體積相同的恒容密閉容器中，在溫度不相同的情況下發生反應，反應相同時間后，測得氮氣的體積分數φ（N₂）與反應溫度T的關系曲線如圖1所示，則上述反應的Q＞0（填“＞”、“＜”或“=”）．
（3）若上述反應在有催化劑的情況下發生，則如圖2所示的a、b、c、d四條曲線中，能表示反應體系能量變化的是d（填字母代號），圖中△H絕對值為1530kJ•mol^-1．
Ⅲ．目前工業合成氨的原理是：N₂（g）+3H₂（g）═2NH₃（g）△H=-93.0KJ/mol．
回答下列問題：
（1）結合II中的數據，則2H₂（g）+O₂（g）=2H₂O（g） 的△H=-572KJ/mol．
（2）在一定溫度下，將1molN₂和3mol H₂混合置于體積不變的密閉容器中發生反應，達到平衡狀態時，測得氣體總物質的量為2.8mol．
①達平衡時，H₂的轉化率a₁=60%．
②在相同條件下，若起始時只將NH₃置于該容器中，達到平衡狀態時NH₃的轉化率為a₂，當a₁+a₂=1時，則起始時NH₃的物質的量n（NH₃）2mol．

Answer 1

分析 Ⅰ．在電解法合成氨的過程中，氫氣發生氧化反應，應在陽極通入，氮氣發生還原反應，在陰極通入，陰極上是氮獲得電子，與質子結合生成氨氣；
Ⅱ．（1）平衡常數為生成物平衡濃度化學計量數冪乘積與反應物平衡濃度化學計量數冪乘積的比；
（2）開始未到達平衡，氮氣體積分數最大時到達平衡狀態，而后升高溫度，氮氣的體積分數減小，說明升高溫度平衡正向移動，則正反應為吸熱反應；
（3）正反應為吸熱反應，則反應物總能量小于生成物總能量，使用催化劑降低活化能，而反應熱只與始態、終態有關，催化劑不影響反應熱；
Ⅲ．（1）①2N₂（g）+6H₂O（g）?4NH₃（g）+3O₂（g）△H═+1530kJ/mol，
②N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H═-93.0kJ/mol
根據蓋斯定律計算，（②×2-①）÷3得到：2H₂（g）+O₂（g）═2H₂O（g），焓變也進行相應計算；
（2）①在一定溫度下，將1molN₂和3mol H₂混合置于體積不變的密閉容器中發生反應，達到平衡狀態時，測得氣體總物質的量為2.8mol，設參加反應的氮氣為xmol，則：
             N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）
起始量（mol）：1      3         0
變化量（mol）：x      3x        2x
平衡量（mol）：1-x    3-3x      2x
再根據平衡時總物質的量列方程計算解答；
②在相同條件下，若起始時只將NH₃置于該容器中，達到平衡狀態時NH₃的轉化率為a₂，當a₁+a₂=1時，則與原平衡為等效平衡，完全轉化到左邊滿足1molN₂和3mol H₂．

解答 解：Ⅰ．在電解法合成氨的過程中，氫氣發生氧化反應，應在陽極通入，氮氣發生還原反應，在陰極通入，陰極上是氮獲得電子，與質子結合生成氨氣，陰極電極反應式為：N₂+6H⁺+6e^-=2NH₃，
故答案為：陽；N₂+6H⁺+6e^-=2NH₃；
Ⅱ．（1）2N₂（g）+6H₂O（g）?4NH₃（g）+3O₂（g）的平衡常數表達式K=$\frac{{c}^{4}（N{H}_{3}）×{c}^{3}（{O}_{2}）}{{c}^{2}（{N}_{2}）×{c}^{2}（{H}_{2}O）}$，故答案為：$\frac{{c}^{4}（N{H}_{3}）×{c}^{3}（{O}_{2}）}{{c}^{2}（{N}_{2}）×{c}^{2}（{H}_{2}O）}$；
（2）開始未到達平衡，氮氣體積分數最大時到達平衡狀態，而后升高溫度，氮氣的體積分數減小，說明升高溫度平衡正向移動，則正反應為吸熱反應，則△H＞0，
故答案為：＞；
（3）正反應為吸熱反應，則反應物總能量小于生成物總能量，使用催化劑降低活化能，而反應熱只與始態、終態有關，催化劑不影響反應熱，圖中曲線d符合，
故答案為：d；
Ⅲ．（1）①2N₂（g）+6H₂O（g）?4NH₃（g）+3O₂（g）△H═+1530kJ/mol，
②N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H═-93.0kJ/mol
根據蓋斯定律計算，（②×2-①）÷3得到：2H₂（g）+O₂（g）═2H₂O（g）△H═-572KJ/mol；
故答案為：-572KJ/mol；
（2）①在一定溫度下，將1molN₂和3mol H₂混合置于體積不變的密閉容器中發生反應，達到平衡狀態時，測得氣體總物質的量為2.8mol，設參加反應的氮氣為xmol，則：
              N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）
起始量（mol）：1       3         0
變化量（mol）：x       3x        2x
平衡量（mol）：1-x     3-3x      2x
故1-x+3-3x+2x=2.8，解得x=0.6，故氫氣的轉化率為$\frac{1.8mol}{3mol}$×100%=60%，
故答案為：60%；
②在相同條件下，若起始時只將NH₃置于該容器中，達到平衡狀態時NH₃的轉化率為a₂，當a₁+a₂=1時，則與原平衡為等效平衡，完全轉化到左邊滿足1molN₂和3mol H₂，則n（NH₃）=2mol，
故答案為：2．

點評 本題考查化學平衡計算與影響因素、電解原理應用、等效平衡等，Ⅲ中（3）注意理解等效平衡規律，難度中等．