Question

2．碳和氮的化合物與人類生產、生活密切相關．
（1）C、CO、CO₂在實際生產中有如下應用：
a．2C+SiO₂$\frac{\underline{\;高溫\;}}{電爐}$Si+2CO          
b.3CO+Fe₂O₃$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$2Fe+3CO₂
c．C+H₂O$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$CO+H₂                  
d．CO₂+CH₄$\frac{\underline{\;催化劑\;}}{\;}$CH₃COOH
上述反應中，理論原子利用率最高的是d．可用碳酸鉀溶液吸收b中生成的CO₂，常溫下，pH=10的碳酸鉀溶液中水電離的OH^-的物質的量濃度為1×10^-4 mol•L^-1，常溫下，0.1mol•L^-1KHCO₃溶液的pH＞8，則溶液中c（H₂CO₃）＞c（CO₃^2-）（填“＞”、“=”或“＜”）．
（2）有機物加氫反應中鎳是常用的催化劑．但H₂中一般含有微量CO會使催化劑鎳中毒，在反應過程中消除CO的理想做法是投入少量SO₂，查得資料如圖1：

則：SO₂（g）+2CO（g）=S（s）+2CO₂（g）△H=-270kJ/mol．

（3）已知N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H=-94.4kJ•mol^-1，恒容時，體系中各物質濃度隨時間變化的曲線如圖2所示，各時間段最終均達平衡狀態．
①在2L容器中發生反應，時段Ⅰ放出的熱量為94.4kJ．
②25min時采取的某種措施是將NH₃從反應體系中分離出去．
③時段Ⅲ條件下反應的平衡常數為2.37．（保留3位有數字）
（4）電化學降解N的原理如圖3所示．電源正極為A（填“A”或“B”），陰極反應式為2NO₃^-+12H⁺+10e^-=N₂↑+6H₂O．

Answer 1

分析 （1）反應物中的原子全部參加反應的，原子利用律最高，據此解答即可；水電離的OH^-的物質的量濃度=$\frac{1{0}^{-14}}{1{0}^{-PH}}$；常溫下，0.1mol•L^-1 KHCO₃溶液pH＞8，說明碳酸氫根在水解程度大于電離程度；
（2）由圖1可知，O₂（g）+2CO（g）=2CO₂（g）△H=（-2×283）kJ•mol^-1=-566kJ•mol^-1，（i）
                                 S（s）+O₂（g）=SO₂（g）△H=-296kJ•mol^-1，（ii）
利用蓋斯定律（i）-（ii）計算即可；
（3）①根據時段Ⅰ達到平衡時生成氨氣的物質的量及熱化學方程式N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）；△H=-94.4kJ•mol^-1計算出放出的熱量；
②根據25min時氨氣的物質的量變為0，而氮氣和氫氣的物質的量不變進行解答，改變的條件是分離出氨氣；
③根據時段Ⅲ條件下達到平衡時各組分的濃度及平衡常數等于生成物平衡濃度冪次方乘積除以反應物平衡濃度冪次方乘積進行解答；
（4）由圖示知在Ag-Pt電極上NO₃^-發生還原反應，因此Ag-Pt電極為陰極，則B為負極，A為電源正極；在陰極反應是NO₃^-得電子發生還原反應生成N₂，利用電荷守恒與原子守恒知有氫離子參與反應且有水生成．

解答 解：（1）觀察四個反應方程式可見，只有反應d中參加反應的物質全部轉化為一種物質，故原子利用率最高；
可用碳酸鉀溶液吸收生成的CO₂，常溫下pH=10的碳酸鉀溶液中水電離的c（OH^-）=$\frac{1{0}^{-14}}{1{0}^{-PH}}$mol/L=1×10^-4 mol•L^-1；
常溫下，0.1mol•L^-1 KHCO₃溶液pH＞8，則溶液中碳酸氫根離子水解程度大于電離程度，所以c（H₂CO₃）＞c（CO₃^2-）；
故答案為：d； 1×10^-4 mol•L^-1；＞；
（2）由圖1可知，O₂（g）+2CO（g）=2CO₂（g）△H=（-2×283）kJ•mol^-1=-566kJ•mol^-1，（i）
                                 S（s）+O₂（g）=SO₂（g）△H=-296kJ•mol^-1，（ii）
（i）-（ii）得：SO₂（g）+2CO（g）=S（s）+2CO₂（g）△H=-563-（-298）=-270kJ•mol^-1，
故答案為：-270kJ/mol；
（3）①時段Ⅰ達到平衡時生成的氨氣的物質的量為：1.00 mol/L×2L=2.00mol，
根據N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）；△H=-94.4kJ•mol^-1可知生成2.00mol氨氣放出的熱量為94.4kJ，
故答案為：94.4kJ；
②25min時氨氣的物質的量迅速變為0而氮氣、氫氣的物質的量不變，之后氮氣、氫氣的物質的量逐漸減小，氨氣的物質的量逐漸增大，說明25min時改變的條件是將NH₃從反應體系中分離出去，
故答案為：將NH₃從反應體系中分離出去；
③時段Ⅲ條件下，反應為：N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g），圖象方向可知平衡狀態下[N₂]=0.25mol/L，[NH₃]=0.50mol/L，[H₂]=0.75mol/L，該反應的化學平衡常數為：K=$\frac{{c}^{2}（N{H}_{3}）}{{c（{N}_{2}）c}^{3}（{H}_{2}）}$=$\frac{（0.50mol/L）^{2}}{（0.75mol/L）^{3}×0.25mol/L}$=2.37，
故答案為：2.37；
（4）由圖示知在Ag-Pt電極上NO₃^-發生還原反應，因此Ag-Pt電極為陰極，則B為負極，A為電源正極；在陰極反應是NO₃^-得電子發生還原反應生成N₂，利用電荷守恒與原子守恒知有H₂O參與反應且有水生成，
所以陰極上發生的電極反應式為：2NO₃^-+12H⁺+10e^-=N₂↑+6H₂O，
故答案為：A，2NO₃^-+12H⁺+10e^-=N₂↑+6H₂O．

點評 本題主要考查的是綠色化學的概念、蓋斯定律的應用、影響化學平衡的因素及電解池工作原理，題目難度中等，明確化學平衡常數的概念及計算方法是解題關鍵．