Question

9．氮是地球上含量豐富的一種元素，氮及其化合物在生產生活中有著重要作用．
（1）如圖是1mol NO₂氣體和1mol CO反應生成CO₂和NO過程中能量變化示意圖．則反應過程中放出的總熱量應為234kJ．
（2）在固定體積的密閉容器中，進行如下化學反應：
N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）；△H＜0，其平衡常數K與溫度T的關系如下表：

T/K	298	398	498
平衡常數K	4.1×106	K1	K2

①寫出該反應的平衡常數表達式．K=$\frac{{c}^{2}（N{H}_{3}）}{c（{N}_{2}）•{c}^{3}（{H}_{2}）}$．
②試判斷K_1＞K₂（填寫“＞”“=”或“＜”）．
③下列各項能說明該反應已達到平衡狀態的是c（填字母）．
a．容器內N₂、H₂、NH₃的濃度之比為1：3：2           b．v（N₂）=3v（H₂）
c．容器內壓強保持不變                                             d．混合氣體的密度保持不變
（3）化合物N₂ H₄做火箭發動機的燃料時，與氧化劑N₂O₄反應生成N₂和水蒸氣．某同學設計了一個N₂ H₄-空氣堿性燃料電池，并用該電池電解200mL一定濃度NaCl與CuSO₄混合溶液，其裝置如圖所示．

①該燃料電池的負極反應式為N₂H₄+4OH^--4e^-=4H₂O+N₂↑；
②理論上乙中兩極所得氣體的體積隨時間變化的關系如丙圖所示（氣體體積已換算成標準狀況下的體積），寫出在t₁-t₂時間段鐵電極上的電極反應式Cu²⁺+2e^-=Cu；原混合溶液中NaCl的物質的量濃度為0.1mol/L．
③在t₂時所得溶液的pH為1．（假設溶液體積不變）

Answer 1

分析 （1）根據能量變化圖，反應熱等于正反應的活化能減去逆反應的活化能；
（2）①依據平衡常數等于平衡生成物濃度的冪次方乘積除以反應物濃度的冪次方乘積；
②根據升高溫度平衡吸熱方向移動以及平衡逆向移動平衡常數減小；
③直接標志：①速率關系：正反應速率與逆反應速率相等，②反應體系中各物質的百分含量保持不變．
間接標志：①混合氣體的總壓強、總體積、總物質的量不隨時間的改變而改變（m+n≠p+q）；②各物質的濃度、物質的量不隨時間的改變而改變；③各氣體的體積、各氣體的分壓不隨時間的改變而改變；
（3）電池通入肼N₂H₄的為負極，乙中石墨電極為陽極、鐵電極為陰極，開始Cl^-在陽極放電生成氯氣，陰極Cu²⁺放電生成Cu，故圖丙中Ⅰ表示陰極產生的氣體，Ⅱ表示陽極產生的氣體，t₁前電極反應式為：陽極2Cl^--4e^-=Cl₂↑，依據生成的遷移體積計算物質的量得到氯化鈉物質的量計算濃度，陰極2Cu²⁺+4e^-=2Cu，t₁～t₂電極反應式為：陽極4OH^--4e^-=O₂↑+2H₂O，陰極2Cu²⁺+4e^-=2Cu，t₂點后電極反應式為：陽極4OH^--4e^-=O₂↑+2H₂O，陰極4H⁺+4e^-=2H₂↑，所以t₁～t₂ 陽極上生成氧氣，根據氧氣的量計算氫氧根離子的物質的量，水電離出等物質的量的氫離子和氫氧根離子，根據公式計算得出C（H⁺），從而得出溶液的pH．

解答 解：解：（1）該反應的焓變△H=E₁-E₂=134KJ/mol-368KJ/mol=-234KJ/mol，所以熱化學方程式為NO₂（g）+CO（g）=CO₂（g）+NO（g）△H=-234kJ•mol^-1，則反應過程中放出的總熱量應為234kJ，
故答案為：234kJ；
（2）①N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H＜0，平衡常數計算表達式K=$\frac{{c}^{2}（N{H}_{3}）}{c（{N}_{2}）•{c}^{3}（{H}_{2}）}$，
故答案為：$\frac{{c}^{2}（N{H}_{3}）}{c（{N}_{2}）•{c}^{3}（{H}_{2}）}$；
②N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H＜0為放熱反應，升高溫度，平衡逆向移動，平衡常數減小，所以K₁＞K₂，
故答案為：＞；
③a．平衡時反應混合物中各組分的含量保持不變，但容器內N₂、H₂、NH₃的濃度之比不一定為為1：3：2，所以不能作為平衡的標志，故a錯誤；
b．平衡時不同物質表示速率之比等于系數之比說明到達平衡，即3v（N₂）_正=v（H₂）_逆說明反應達到平衡，故b錯誤；
c．反應前后氣體體積減小，若壓強不變，說明反應達到平衡，故c正確；
d．反應前后氣體的質量不變，容器的體積不變，所以密度不變，所以混合氣體的密度保持不變不能作為平衡的標志，故d錯誤；
故答案為：c；
（3）①肼燃料電池中，在堿性條件下，N₂H₄失電子生成氮氣與水，電極反應式為：N₂H₄+4OH^--4e^-=N₂↑+4H₂O，
故答案為：N₂H₄+4OH^--4e^-=N₂↑+4H₂O；
②乙中石墨電極為陽極、鐵電極為陰極，開始Cl^-在陽極放電生成氯氣，陰極Cu²⁺放電生成Cu，故圖丙中Ⅰ表示陰極產生的氣體，Ⅱ表示陽極產生的氣體，t₁前電極反應式為：陽極2Cl^--4e^-=Cl₂↑，生成氯氣為224mL，由2Cl^--2e^-=Cl₂↑可知，n（NaCl）=2n（Cl₂）=$\frac{0.224L}{22.4L/mol}$×2=0.02mol，所以c（NaCl）=$\frac{0.02mol}{0.2L}$=0.1mol/L；
t₁～t₂電極反應式為：（陽極）4OH^--4e^-=O₂↑+2H₂O，t₂點后電極反應式為：（陽極）4OH^--4e^-=O₂↑+2H₂O，所以在t₁后，石墨電極上的電極反應式為：4OH^--4e^-=O₂↑+2H₂O；t₁～t₂電極反應式為：陽極4OH^--4e^-=O₂↑+2H₂O，陰極Cu²⁺+2e^-=Cu，所以t₁～t₂鐵電極上的電極反應式為：Cu²⁺+2e^-=Cu，
故答案為：Cu²⁺+2e^-=Cu； 0.1mol/L；
③t₂點后電極反應式為：陽極4OH^--4e^-=O₂↑+2H₂O，陰極4H⁺+4e^-=2H₂↑，所以t₁～t₂ 陽極上生成氧氣，t₁～t₂Ⅱ產生的氣體體積=0.336L-0.224L=0.112L，陽極上生成112mL氧氣需要n（OH^-）=$\frac{0.112L×4}{22.4L}$=0.02mol，水電離出等物質的量的氫離子和氫氧根離子，所以n（H⁺）=0.02mol，c（H⁺）=$\frac{0.02mol}{0.2L}$=0.1mol/L，所以溶液的pH=1，
故答案為：1．

點評 本題考查較為綜合，涉及化學平衡的有關計算、電解池原理等知識點，題目難度較大，注意電解硫酸銅和氯化鈉混合溶液時，明確離子的放電順序是解本題的關鍵，試題培養了學生的分析能力及靈活應用能力．