Question

6．氨是氮循環(huán)過程中的重要物質(zhì)，氨的合成是目前普遍使用的人工固氮方法．
（1）根據(jù)圖1提供的信息，寫出該反應的熱化學方程式N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H=-92 kJ•mol^-1．在圖1中曲線b（填“a”或“b”）表示加入鐵觸媒的能量變化曲線．
（2）在恒容器中，下列描述中能說明上述反應已達平衡的是BDE．
A．3v（H₂）_正=2v（NH₃）_逆
B．單位時間內(nèi)生成nmolN₂的同時生成2nmolNH₃
C．混合氣體的密度不再改變
D．容器內(nèi)壓強不隨時間的變化而變化
E．斷開一個氮氮鍵同時形成3個氫氫鍵
F．C（N₂）：C（H₂）：C（NH₃）=1：3：2
（3）一定溫度下，向2L密閉容器中充入1molN₂和3molH₂，保持體積不變，0.5min后達到平衡，測得容器中NH₃的體積分數(shù)$\frac{1}{9}$，則平均反應速率v（N₂）=0.2mol/（L•min），該溫度下的平衡常數(shù)K=$\frac{25}{432}$（用分數(shù)表示）．如在該溫度下向2L密閉容器中通入xmolN₂、ymolH₂、zmolNH₃，使平衡向逆向移動，平衡后NH₃的體積分數(shù)為573～637K時的反應時間、反應物配比等因素對其產(chǎn)率的影響．請完成以下實驗設計表：

編號	溫度/K	反應時間/h	反應物質(zhì)的量配比	實驗目的
①	573	4	1：3	實驗②和④探究溫度對產(chǎn)率的影響
②	573	4	1：4
③	573	3	4：1	實驗②和③探究反應時間對 產(chǎn)率的影響
④	673	4	1：4

（4）使用合適的催化劑和電極材料，以N₂、H₂為原料，以HCl-NH₄Cl為電解質(zhì)溶液可構成新型燃料電池，同時達到固氮作用．該電池的正極反應式為N₂+6e^-+8H⁺=2NH₄⁺．

Answer 1

分析 （1）根據(jù)圖1計算出反應熱，寫出熱化學方程式；催化劑能降低反應的活化能；
（2）化學反應達到平衡狀態(tài)時，正逆反應速率相等，各物質(zhì)的濃度不變，由此衍生的一些物理量也不變；
（3）依據(jù)化學平衡三段式列式計算，達到平衡狀態(tài)，測得容器中NH₃的體積分數(shù)$\frac{1}{9}$，設反應中轉化的xmol氮氣，
                        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
根據(jù)v（N₂）=$\frac{△c（{N}_{2}）}{t}$計算；根據(jù)k=$\frac{{c}^{2}（N{H}_{3}）}{c（{N}_{2}）•{c}^{3}（{H}_{2}）}$計算；
研究該反應在溫度為378～398K時的反應時間、反應物配比等因素對其產(chǎn)率的影響，由控制變量法可知，②和④中只有溫度不同，②和③中只有時間不同；
（4）N₂與H₂反應時，氮氣得電子，原電池正極發(fā)生得電子的還原反應．

解答 解：（1）由圖1可知，1molN₂（g）與3molH₂（g）完全反應生成2molNH₃（g）的反應熱為508kJ/mol-600kJ/mol=-92kJ/mol，
所以合成氨的熱化學反應方程式為N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H═-92kJ/mol，催化劑能降低反應的活化能，b活化能較低，所以b表示加入鐵觸媒的能量變化曲線；
故答案為：N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H=-92 kJ•mol^-1；b；
（2）A．該反應達到平衡狀態(tài)時，2v（H₂）_正=3v（NH₃）_逆，故A錯誤；
B．單位時間內(nèi)生成n mol N₂的同時生成2n molNH₃，分別表示正逆反應速率，而且正逆速率之比等于化學計量數(shù)之比，所以該反應達到平衡狀態(tài)，故B正確；
C．無論該反應是否達到平衡狀態(tài)，混合氣體的密度始終不變，所以不能判斷該反應是否達到平衡狀態(tài)，故C錯誤；
D．該反應是一個反應前后氣體體積減小的可逆反應，當反應達到平衡狀態(tài)時，容器內(nèi)壓強不隨時間的變化而變化，所以能判斷反應是否達到平衡狀態(tài)，故D正確；
E．斷開一個氮氮鍵，表示正反應速率，形成3個氫氫鍵表示逆反應速率，而且正逆反應速率之比等于計量數(shù)比，所以反應達到平衡狀態(tài)，故E正確；
F．參加反應的物質(zhì)的濃度之比與反應物的初始濃度和轉化率有關，所以C（N₂）：C（H₂）：C（NH₃）=1：3：2，不一定達到平衡狀態(tài)，故F錯誤；
故答案為：BDE；
（3）達到平衡狀態(tài)，測得容器中NH₃的體積分數(shù)$\frac{1}{9}$，設反應中轉化的xmol氮氣，
                      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
則$\frac{2x}{1-x+3-3x+2x}$=$\frac{1}{9}$，解得x=0.2，
v（N₂）=$\frac{△c（{N}_{2}）}{t}$=$\frac{\frac{0.2mol}{2L}}{0.5min}$=0.2mol/（L•min）；
k=$\frac{{c}^{2}（N{H}_{3}）}{c（{N}_{2}）•{c}^{3}（{H}_{2}）}$=$\frac{（\frac{0.4mol}{2L}）^{2}}{\frac{0.8mol}{2L}×（\frac{2.4mol}{2L}）^{3}}$=$\frac{25}{432}$；
研究該反應在溫度為378～398K時的反應時間、反應物配比等因素對其產(chǎn)率的影響，由控制變量法可知，
實驗①和③，溫度相同，反應時間相同，應研究反應物配比對氧化鎂產(chǎn)率的影響，③中反應物配比應為4：1；
實驗②和④，反應時間相同，反應物配比相同，溫度不同，應是探究溫度對產(chǎn)率的影響；
實驗②和③，溫度相同、反應物配比相同，反應時間不同，探究反應時間對產(chǎn)率的影響．
故答案為：0.2mol/（L•min）；$\frac{25}{432}$；4：1；溫度對產(chǎn)率的影響；③；
（4）以N₂、H₂為原料，以HCl-NH₄Cl為電解質(zhì)溶液構成新型燃料電池，正極發(fā)生還原反應，即氮氣被還原生成NH₄⁺，電極反應式為N₂+6e^-+8H⁺=2NH₄⁺，
故答案為：N₂+6e^-+8H⁺=2NH₄⁺．

點評 本題考查較為綜合，涉及化學平衡的計算、化學平衡狀態(tài)的判斷、探究反應速率的影響因素、原電池等知識，題目難度中等，注意把握三段式在化學平衡計算中的應用方法，側重于考查學生的分析能力和計算能力．