Question

工業合成氨與制備硝酸一般可連續生產，流程如圖1所示：

（1）工業生產時，制取氫氣的一個反應為：CO+H₂O（g）?CO₂+H₂，T℃時，往1L密閉容器中充入0.2mol CO和0.3mol水蒸氣．反應建立平衡后，體系中c（H₂）=0.12mol?L^-1．該溫度下此反應的平衡常數K=

 

（填計算結果）．
（2）合成塔中發生反應N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）；△H＜0．下表為不同溫度下該反應的平衡常數．由此可推知，表中T₁

 

573K（填“＞”、“＜”或“=”）．

T/℃	T1	300	T2
K	1.00×107	2.45×105	1.88×103

（3）N₂和H₂以鐵作催化劑從145℃就開始反應，不同溫度下NH₃的產率如圖2所示．溫度高于900℃時，NH₃產率下降的原因是

 

．
（4）硝酸廠的尾氣直接排放將污染空氣，目前科學家探索利用燃料氣體中的甲烷等將氮氧化物還原為氮氣和水，其反應機理為：CH₄（g）+4NO₂=（g）=4NO（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）；△H=-574kJ?mol^-1
CH₄（g）+4NO（g）=2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）；△H=-1160kJ?mol^-1則甲烷直接將NO₂還原為N₂的熱化學方程式為：

 

．
（5）氨氣在純氧中燃燒，生成一種單質和水．科學家利用此原理，設計成氨氣-氧氣燃料電池，則通入氨氣的電極堿性條件下發生反應的電極反應式為

 

．

Answer 1

考點：化學平衡常數的含義,熱化學方程式,化學電源新型電池,化學平衡的影響因素,化學平衡的計算

專題：基本概念與基本理論

分析：（1）根據平衡常數表達式以及各種物質的濃度知識來回答；
（2）溫度和平衡常數間的關系取決于平衡受溫度的影響情況；
（3）對于放熱反應，溫度升高，則化學平衡向逆向移動；
（4）根據蓋斯定律來計算反應的焓變，進而書寫熱化學方程式；
（5）燃料電池中，燃料做負極．

解答： 解：（1）CO+H₂O（g）CO₂ +H₂
初始：0.2 0.3 0 0
變化：0.12 0.12 0.12 0.12
平衡：0.08 0.18 0.12 0.12
則K=

0.12×0.12

0.08×0.18

=1，
故答案為：1；
（2）對于放熱反應，溫度越高，則化學平衡逆向移動，導致平衡常數減小，所以T₁＜573K；
故答案為：＜；
（3）對于放熱反應，溫度升高，則化學平衡向逆向移動，所以氨氣的產率減小，
故答案為：溫度高于900℃時，平衡向左移動；
（4）根據題意：①

1

2

CH₄（g）+2NO₂（g）=2NO（g）+

1

2

CO₂（g）+H₂O（g）△H=

1

2

×（-574kJ?mol^-1）=-287kJ?mol^-1；

1

2

CH₄（g）+2NO（g）=N₂（g）+

1

2

CO₂（g）+H₂O（g）△H=

1

2

×（-1160kJ?mol^-1）=-580kJ?mol^-1；
根據蓋斯定律反應CH₄（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）可以看成是①+②，
所以△H=-287kJ?mol^-1-580kJ?mol^-1=-867kJ?mol^-1；
故答案為：CH₄（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-867kJ?mol^-1；
（5）在燃料電池中，燃料做負極，則通入氨氣的電極是負極，堿性條件下，該電極發生反應的電極反應式為2NH₃-6e^-+6OH^-→N₂+6H₂O．
故答案為：2NH₃-6e^-+6OH^-→N₂+6H₂O．

點評：本題是一道工業合成氨的綜合性知識題目，題目難度較大，注意利用三段式法解答，特別是蓋斯定律的運用以及燃料電池的電極反應的書寫．