Question

7．氨是生產硝酸、尿素等物質的重要原料，工業合成氨是最重要的化工生產之一．
（1）氨催化氧化法是工業制硝酸的主要方法．已知：2NO（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）+O₂（g）△H₁=-272.9 kJ•mol^-1，2H₂（g）+O₂（g）═2H₂O（g）△H₂=-483.6kJ•mol^-1，則4NH₃（g）+5O₂（g）=4NO（g）+6H₂O（g）△H₃=-905.0 kJ/mol． 
（2）恒容密閉容器中進行合成氨反應N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H₄=-92.4 kJ•mol^-1，其化學平衡常數（K）與溫度的關系如表：

溫度/K	298	398	498	…
平衡常數（K）	4.1×105	K1	K2	…

K₁＞ （填“＞”或“＜”）K₂，其判斷理由是反應是放熱反應，溫度升高，平衡逆向進行，平衡常數減�。� 
（3）向氨合成塔中充入10molN₂和40mol H₂進行氨的合成，一定溫度（T）下平衡混合物中氨氣的體積分數與壓強（p）的關系如圖1所示．下列說法正確的是AB（填字母）． 
A．由圖1可知增大體系壓強（p），有利于增大氨氣在混合氣體中的體積分數 
B．若圖1中T=500℃，則溫度為450℃時對應的曲線是b 
C．工業上采用500℃溫度可有效提高氮氣的轉化率 
D．當3v_正（H₂）=2v_逆（NH₃）時，反應達到平衡狀態 
當溫度為T、氨氣的體積分數為25%時，N₂的轉化率為50%． 
（4）電化學法是合成氨的一種新方法，其原理如圖2所示，通入H₂的一極為陽極（填“陰極”或“陽極”），陰極得電極反應式是N₂+6H⁺+6e^-=2NH₃．

（5）氨碳比[$\frac{n（N{H}_{3}）}{C{O}_{2}}$]對合成尿素的反應：2NH₃（g）+CO₂（g）?CO（NH₂）₂（g）+H₂O（g）有影響，T℃時，在一體積為2L地 恒容密閉容器中，將物質的量之和為3mol的NH₃和CO₂以不同的氨碳比進行反應，結果如圖3所示，a，b分別表示CO₂或NH₃的轉化率，c表示平衡體系中尿素的體積分數，$\frac{n（N{H}_{3}）}{C{O}_{2}}$=2時，尿素的產量最大；該條件下反應的平衡常數K=40．

Answer 1

分析 （1）依據熱化學方程式和蓋斯定律計算得到所需熱化學方程式；
（2）平衡常數隨溫度變化，與壓強和濃度變化無關，平衡常數變化結合反應一定原理分析判斷；
（3）A．由圖可知，溫度一定時，壓強增大氨氣的體積分數增大；
B．合成氨是放熱反應，壓強一定時，降低溫度平衡向正反應方向移動，平衡時氨氣的體積分數增大；
C.500℃溫度時反應速率加快及催化劑活性最好，正反應為放熱反應，溫度越低，氮氣的轉化率越高；
D．不同物質表示的正逆速率之比等于化學計量數之比，說明可逆反應到達平衡；
設參加反應的氮氣為n mol，則：
           N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）
開始（mol）：10    40        0
轉化（mol）：n     3n        2n
平衡（mol）：10-n  40-3n     2n
根據平衡時氨氣的體積分數方程式計算n，進而計算氮氣的轉化率；
（4）通入H₂的一極為化合價升高，發生氧化反應，該極為陽極；合成氨的陰極上氮氣得到電子生成氨氣；
（5）由圖可知，橫坐標為$\frac{n（N{H}_{3}）}{n（C{O}_{2}）}$=2時，尿素的體積分數最大，氨氣的轉化率為80%，以此計算該條件下反應的平衡常數K．

解答 解：（1）已知：
①2NO（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）+O₂（g）△H₁=-272.9 kJ•mol^-1
②2H₂（g）+O₂（g）═2H₂O（g）△H₂=-483.6kJ•mol^-1
由蓋斯定律②×3-①×2得到熱化學方程式：4NH₃（g）+5O₂（g）═4NO（g）+6H₂O（g）△H=-905.0 kJ/mol，
故答案為：4NH₃（g）+5O₂（g）═4NO（g）+6H₂O（g）△H=-905.0 kJ/mol．
（2）在一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，反應是放熱反應，依據圖表數據分析，溫度升高，平衡逆向進行，平衡常數減小，K₁＞K₂；
故答案為：＞；反應是放熱反應，溫度升高，平衡逆向進行，平衡常數減��；
（3）A．由圖可知，溫度一定時，壓強增大氨氣的體積分數增大，故A正確；
B．圖B中T=500℃，合成氨是放熱反應，壓強一定時，降低溫度平衡向正反應方向移動，平衡時氨氣的體積分數增大，則溫度為450℃時對應的曲線是b，故B正確；
C.500℃溫度時反應速率加快及催化劑活性最好，正反應為放熱反應，溫度越低氮氣的轉化率越高，高溫不利于氮氣的轉化，故C錯誤；
D．當 3v_正（H₂）=2v_逆（NH₃）時，正逆速率不等，不同物質表示的正逆速率之比等于化學計量數之比，應為2v_正（H₂）=3v_逆（NH₃），反應到達平衡，故D錯誤；
故選：AB；
②設參加反應的氮氣為n mol，則：
            N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）
開始（mol）：10      40        0
轉化（mol）：n       3n        2n
平衡（mol）：10-n    40-3n     2n
則$\frac{2n}{10-n+40-3n+2n}$×100%=25%，解得n≈5，所以氮氣的轉化率為$\frac{5mol}{10mol}$×100%=50%，
故答案為：50%；
（4）通入H₂的一極為化合價升高，發生氧化反應，該極為陽極；，合成氨的陰極反應為N₂+6H⁺+6e^-=2NH₃，
故答案為：陽極；N₂+6H⁺+6e^-=2NH₃；
（5）由圖可知，橫坐標為$\frac{n（N{H}_{3}）}{n（C{O}_{2}）}$=2時，尿素的體積分數最大，且氨氣的轉化率為80%，
                                2NH₃（g）+CO₂（g）=CO（NH₂）₂（g）+H₂O（g）
起始濃度（mol．L^-1 ）   1           0.5                  0                          0
變化濃度（ol．L^-1  ）  0.8         0.4               0.4                       0.4
平衡濃度（mol．L^-1 ）   0.2       0.1              0.4                        0.4  
該條件下反應的平衡常數K=$\frac{c（CO（N{H}_{2}）_{2}•c（{H}_{2}O）}{{c}^{2}（N{H}_{3}）•c（C{O}_{2}）}$=$\frac{0.4×0.4}{0．{2}^{2}×0.1}$=40，
故答案為：2；40；

點評 本題考查了熱化學方程式和蓋斯定律的計算應用，化學反應能量變化圖象分析，平衡標志、平衡常數和平衡計算的判斷計算是解題關鍵，題目難度中等．