Question

合成氨生產(chǎn)技術的創(chuàng)立開辟了人工固氮的途徑，對化學工業(yè)技術也產(chǎn)生了重大影響。合成氨反應的化學方程式為：N₂(g)+3H₂(g)2NH₃(g)；ΔH=-92.2 kJ·mol^-1。合成氨工業(yè)中原料氣N₂可從空氣中分離得到，H₂可用甲烷在高溫下與水蒸氣反應制得。我國合成氨工業(yè)目前的生產(chǎn)條件為：

催化劑：鐵觸媒，溫度400—500 ℃，壓強：30—50 MPa。

回答下列問題：

(1)合成氨工業(yè)中原料氣壓縮到30 MPa—50 MPa的原因是________________________；從平衡移動原理分析，低溫有利于原料氣的轉(zhuǎn)化，實際生產(chǎn)中采用400 ℃—500 ℃的高溫，原因是____________________________________________________________________。

(2)500 ℃、50 MPa時，在容積為1 L的容器中加入n mol N₂、3n mol H₂，反應達平衡后測得平衡常數(shù)為K，此時N₂的轉(zhuǎn)化率為x。則K和x的關系滿足K=____________________。

(3)甲烷在高溫下與水蒸氣反應的方程式為：CH₄+H₂OCO+3H₂。已知部分物質(zhì)燃燒的熱化學方程式如下：

2H₂(g)+O₂(g)2H₂O(l)；ΔH=-571.6 kJ·mol^-1

2CO(g)+O₂(g)2CO₂(g)；ΔH=-566 kJ·mol^-1

CH₄(g)+2O₂(g)CO₂(g)+2H₂O(l)；ΔH=-890.3 kJ·mol^-1

又知1 mol H₂O(g)轉(zhuǎn)變?yōu)? mol H₂O(l)時放出44.0 kJ熱量。寫出CH₄和H₂O在高溫下反應的熱化學方程式：____________________________________。

(4)有人設想尋求合適的催化劑和電極材料，以N₂、H₂為電極反應物，以HCl—NH₄Cl為電解質(zhì)溶液制造新型燃料電池。請寫出該電池的正極反應式：________________________。

Answer 1

(1)加壓既有利于增大反應速率，又有利于平衡正向移動，提高原料氣的轉(zhuǎn)化率  催化劑在該溫度條件下活性最高，反應速率大，達到平衡所需的時間短

(2)

(3)CH₄(g)+H₂O(g)CO(g)+3H₂(g)；ΔH=+206.1 kJ·mol^-1

(4)N₂+8H⁺+6e^-2

解析：本題主要考查了工業(yè)合成氨條件的選擇原理和平衡常數(shù)的表達式。(1)題比較簡單；(2)可以先寫出反應方程式，從而看出當?shù)獨廪D(zhuǎn)化率為x時，生成NH₃ 2nx mol，此時剩余N₂ n(1-x) mol、H₂3n(1-x) mol，從而得出平衡常數(shù)表達式為；第(3)題是蓋斯定律的應用問題。利用蓋斯定律，求得CH₄和H₂O反應所吸收的熱量，從而寫出熱化學反應方程式；設計原電池時，N₂和H₂為反應物，根據(jù)電極反應中化合價的變化規(guī)律可知，正極反應物為N₂，從而寫出電極反應式。