Question

8．合成氨反應是化學上最重要的反應：
（1）合成氨原料氣中的氫氣可利用天然氣（主要成分為CH₄）在高溫、催化劑作用下與水蒸氣反應制得，反應中每生成2mol CO₂吸收316kJ熱量，該反應的熱化學方程式是CH₄（g）+2H₂O（g）=CO₂（g）+4H₂（g）△H=+158kJ/mol，該方法制得的原料氣中主要雜質是CO₂，若用K₂CO₃溶液吸收，該反應的離子方程式是CO₃^2-+CO₂+H₂O=2HCO₃^-．
（2）已知N₂（g）+3H₂（g）?2ΝΗ₃（g）△H＜0．圖是當反應器中按n（N₂）：n（H₂）=1：3投料后，在200℃、400℃、600℃下，反應達到平衡時，混合物中NH₃的物質的量分數隨壓強的變化曲線．   
①曲線a對應的溫度是200℃．
②關于工業合成氨的反應，下列敘述正確的是AB（填序號）
A．圖中M、N、Q點平衡常數K的大小關系為K（M）=K（Q）＞K（N）
B．加催化劑能加快反應速率但H₂的平衡轉化率不變
C．相同壓強下，投料相同，達到平衡消耗時間關系為c＞b＞a
D．由曲線a可知，當壓強增加到100MPa以上，NH₃的物質的量分數可達到100%
③N點時c（NH₃）=0.2mol•L^-1，N點的化學平衡常數K=$\frac{25}{27}$（用分數表示）．
（3）合成氨工業中含氨廢水的處理方法之一是電化學氧化法，將含氨的堿性廢水通入電解系統后，在陽極上氨被氧化成氮氣而脫除，陽極的電極反應式為2NH₃-6e^-+6OH^-=N₂+6H₂O．
（4）NH₃ 可以處理NO₂ 的污染，方程式如下：NO₂+NH₃$?_{加熱}^{催化劑}$N₂+H₂O（未配平）當轉移0.6mol電子時，消耗的NO₂在標準狀況下是4.48L．

Answer 1

分析 （1）CH₄在高溫、催化劑作用下與水蒸氣反應的方程式為CH₄（g）+2H₂O（g）=CO₂（g）+4H₂（g），生成2mol CO₂吸收316kJ熱量，則1molCH₄叁加反應時需要吸收的熱量為158kJ，CO₂與K₂CO₃溶液反應生成碳酸氫鈉鉀，據此答題；
（2）①正反應是放熱反應，升高溫度平衡逆向移動，氨氣的含量減小；
②A．K只受溫度影響，溫度不變平衡常數不變，正反應為放熱反應，升高溫度平衡逆向移動，平衡常數減小；
B．加催化劑能加快反應速率但平衡不移動；
C．相同壓強下，投料相同，溫度越高反應速率越快，達到平衡消耗時間越短；
D．該反應為可逆反應，反應的轉化率不可能達到100%；
③根據反應N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）利用三段式計算出平衡時各物質的濃度，并計算平衡常數；
（3）生成的無污染的物質為氮氣，根據電解原理寫出陽極電極反應式；
（4）反應6NO₂+8NH₃$?_{加熱}^{催化劑}$7N₂+12H₂O方程式可知8NH₃～～24mole^-，以此來解答．

解答 解：（1）CH₄在高溫、催化劑作用下與水蒸氣反應的方程式為CH₄（g）+2H₂O（g）=CO₂（g）+4H₂（g），生成2mol CO₂吸收316kJ熱量，則1molCH₄叁加反應時需要吸收的熱量為158kJ，所以反應的熱化學方程式是CH₄（g）+2H₂O（g）=CO₂（g）+4H₂（g）△H=+158kJ/mol，CO₂與K₂CO₃溶液反應生成碳酸氫鈉鉀，反應的離子方程式為CO₃^2-+CO₂+H₂O=2HCO₃^-，
故答案為：CH₄（g）+2H₂O（g）=CO₂（g）+4H₂（g）△H=+158kJ/mol；CO₃^2-+CO₂+H₂O=2HCO₃^-；
（2）①合成氨的反應為放熱反應，反應溫度越高，越不利于反應正向進行，曲線a的氨氣的物質的量分數最高，其反應溫度對應相對最低，所以a曲線對應溫度為200°C；
故答案為：200℃；
②A．K只受溫度影響，溫度不變平衡常數不變，所以K（M）=K（Q），正反應為放熱反應，升高溫度平衡逆向移動，平衡常數減小，Q點的溫度低于N，所以K（Q）＞K（N），故A正確；
B．加催化劑能加快反應速率但平衡不移動，所以H₂的平衡轉化率不變，故B正確；
C．相同壓強下，投料相同，溫度越高反應速率越快，達到平衡消耗時間越短，cba的溫度依次降低，所以達到平衡消耗時間關系為a＞b＞c，故C錯誤；
D．該反應為可逆反應，反應的轉化率不可能達到100%，故D錯誤，
故選：AB；
③N點時氨的物質的量的分數為20%，利用三段式，設N₂轉化率是b，N₂的起始濃度為a，
根據反應N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）
起始    a       3a         0
轉化    ab       3ab       2ab
平衡   a-ab      3a-3ab      2ab
根據題意有$\left\{\begin{array}{l}{\frac{2ab}{a-ab+3a-3ab+2ab}=20%}\\{2ab=0.2mol•L{\;}^{-1}}\end{array}\right.$，所以a=0.3mol•L^-1，b=$\frac{1}{3}$，所以平衡常數K=$\frac{（2ab）{\;}^{2}}{（a-ab）•（3a-3ab）^{3}}$=$\frac{25}{27}$，
故答案為：$\frac{25}{27}$；
（3）利用電解法將NH₃•H₂O轉化為對環境無污染的物質為氮氣，陽極失去電子發生氧化反應，電極反應式為：2NH₃-6e^-+6OH^-=N₂+6H₂O，
故答案為：2NH₃-6e^-+6OH^-=N₂+6H₂O；
（4）反應6NO₂+8NH₃$?_{加熱}^{催化劑}$7N₂+12H₂O方程式可知8NH₃～～24mole^-，所以消耗的NH₃在標準狀況下的體積是$\frac{0.6}{24}$×8×22.4L=4.48L，
故答案為：4.48．

點評 本題考查了熱化學方程式的書寫、化學平衡的計算、電解池原理、氧化還原反應的計算等，題目難度中等，注意利用三段式進行化學平衡的計算，明確反應速率的概念及計算方法，試題培養了學生的分析、理解能力及化學計算能力．