Question

在容積固定且為2L的密閉容器中進行反應：N₂（g）+3H₂（g）=2NH₃（g）△H=-92.4kJ/mol，恒溫條件下，體系中某兩種物質的物質的量隨時間關系圖，回答下列問題：
（1）圖象中a、b、c、d四點，其中處于平衡狀態的點有

 

．
（2）用H₂表示15分鐘內的反應速率為v（H₂）=

 

．達到平衡狀態時，下列說法不正確的是

 

．
A．2v（N₂）_正=v（NH₃）_逆
B．容器的總壓強不再隨時間而變化
C．N₂、NH₃的分子數之比保持1：2不變
D．混合氣體的摩爾質量保持不變
E．充入少量He時平衡體系中H₂的體積百分含量將會減小
（3）25min時采用的措施是

 

；若從a點時刻改變某一條件，以實現達到d點時的狀態，此時K_b

 

K_d（填“＜”、“＞”或“=”）．
（4）以N₂、H₂為電極反應物，以1L濃度均為0.05mol?L^-1的HCl-NH₄Cl混合液為電解質溶液的燃料電池，請寫出電池工作時的正極反應式：

 

．已知NH₃?H₂O在常溫下的電離平衡常數為K，N₂-H₂燃料電池工作一段時間后溶液的pH=7，求電路中通過的電子的物質的量為

 

（用含K的代數式表示，假設NH₃與H₂O完全轉化為NH₃?H₂O且忽略溶液體積的變化）．

Answer 1

考點：化學平衡的調控作用,化學電源新型電池,化學平衡狀態的判斷

專題：

分析：（1）當可逆反應中各組分濃度不再變化時，說明該反應處于化學平衡狀態，據此結合圖象進行判斷；
（2）物質的量變化與方程式中的化學計量數成正比，根據圖象中達到平衡狀態時物質的量變化找出二者化學計量數之比，然后判斷兩曲線分別代表的物質，再根據反應速率的表達式計算出15分鐘內的反應速率為v（H₂）；根據化學平衡狀態的特征進行判斷；
（3）結構25min時氨氣的物質的量有1.2mol變為0.4mol，而氮氣的物質的量不變進行判斷改變的條件；根據溫度不變，化學平衡常數不變進行解答；
（4）N₂在正極發生還原反應生成NH₄⁺，以此書寫電極反應式；根據溶液pH=7可知溶液中c（OH^-）=c（H⁺）=10^-7mol/L，然后根據一水合氨的電離平衡常數計算出溶液中氨水的濃度，再計算出氮氣反應生成氨氣和銨根離子的物質的量，最后計算出轉移的電子數．

解答： 解：（1）根據圖象可知，在a、c兩點，對應的物質的物質的量仍然發生變化，說明沒有達到平衡狀態，而b、d兩點，對應的物質濃度不再變化，說明已經達到平衡狀態，
故答案為：bd；
（2）根據圖象可知，b所在的曲線達到平衡時物質的量變化為：1.2mol-0.8mol=0.4mol，d所在的曲線達到平衡時濃度變化為：1.2mol-1.0mol=0.2mol，二者的濃度變化之比為：0.2mol：0.4mol=1：2，化學計量數為1：2的為氮氣和氨氣，所以從0.8mol開始反應的曲線代表的是氨氣的物質的量變化曲線，從1.2mol開始反應的曲線代表的是氮氣的物質的量變化曲線，第一次達到平衡狀態時，氮氣的物質的量減小了0.2mol，則氫氣的物質的量變化為：0.2mol×3=0.6mol，用氫氣表示15min內平均反應速率為：v（H₂）=

0.6mol 2L

15min

=0.02mol/（L?min）；
A．2v（N₂）_正=v（NH₃）_逆：表示的是正逆反應速率，且正逆反應速率相等，說明達到了平衡狀態，故A正確；
B．容器的總壓強不再隨時間而變化：達到平衡狀態時，各組分的百分含量不再變化，所以氣體的總物質的量不變，容器容積不變，所以容器的總壓強不再隨時間而變化，故B正確；
C．N₂、NH₃的分子數之比保持1：2不變：達到平衡狀態時，氮氣和氨氣的分子數不再變化，但是不一定為1：2，故C錯誤；
D．混合氣體的摩爾質量保持不變：達到平衡狀態時，混合氣體的總質量不變，氣體的總物質的量不變，所以混合氣體的摩爾質量保持不變，故D正確；
E．充入少量He時平衡體系中H₂的體積百分含量將會減小：充入稀有氣體，由于各組分的濃度不變，所以化學平衡不移動，各組分的含量不變，故E錯誤；
故答案為：0.02mol/（L?min）；CE；
（3）根據圖象可知，25min時氨氣的物質的量突然有1.2mol變為0.4mol，氨氣減少了0.8mol，而此時氮氣的物質的量不變，說明改變的條件是減小了0.8mol氨氣；由于從平衡狀態b到d，溫度沒有變化，則化學平衡常數不變，即：K_b=K_d，
故答案為：分離出0.8mol氨氣；=；
（4）以N₂、H₂為電極反應物，以HCl-NH₄Cl為電解質溶液制取新型燃料電池，N₂在正極發生還原反應生成NH₄⁺，電極反應式為：N₂+6e^-+8H⁺=2NH₄⁺；
已知NH₃?H₂O在常溫下的電離平衡常數為K，N₂-H₂燃料電池工作一段時間后溶液的pH=7，則溶液中c（OH^-）=c（H⁺）=10^-7mol/L，根據電荷守恒可得：c（Cl^-）=c（NH₄⁺）=0.1mol/L，氨水的電離平衡常數為：K=

c(N H + 4 )?c(OH-)

c(NH3?H2O)

=

0.1×1×10-7

c(NH3?H2O)

，則溶液中氨水濃度為：c（NH₃?H₂O）=

1×10-8

K

mol/L，原電池工作中生成銨根離子和氨水總的物質的量為：（0.05mol/L+

1×10-8

K

mol/L）×1L=（0.05+

1×10-8

K

）mol，氮氣的化合價為0，氨水和銨根離子中氮元素的化合價為-3價，化合價降低了3價，則轉移電子的物質的量為：=（0.05+

1×10-8

K

）mol×3=3×（0.05+

1×10-8

K

）mol，

故答案為：N₂+6e^-+8H⁺=2NH₄⁺；3×（0.05+

1×10-8

K

）mol．

點評：本題考查了化學反應速率的計算、化學平衡狀態的判斷、化學電源新型電池的工作原理及計算，題目難度稍大，注意掌握化學反應速率、化學平衡狀態的概念及判斷方法，明確化學反應速率的計算方法，（4）的第二問為難點，注意利用一水合氨的電離平衡常數正確計算出氮氣生成的銨根離子和一水合氨的物質的量．