Question

【題目】空氣中有豐富的氮?dú)�，科學(xué)家展開了向空氣要氨氣的系列研究。

（1）已知：2H2（g）＋O2（g）=2H2O（l） ΔH＝a kJ·mol－1

N2（g）＋O2（g） =2NO（g） ΔH＝b kJ·mol－1

4NH3（g）＋5O2（g） =4NO（g）＋6H2O（l） ΔH＝c kJ·mol－1

工業(yè)上合成氨反應(yīng)N2（g）＋3H2（g） 2NH3（g） ΔH＝ _______ kJ·mol－1

（2）以懸浮的納米Fe2O3作催化劑，H2O和N2為原料直接常壓電化學(xué)合成氨方面取得了突破性進(jìn)展。其工作原理如圖所示：

①Ni電極處發(fā)生的總反應(yīng)為： N2＋6e－＋6H2O=2NH3＋6OH－

已知該反應(yīng)分為兩步，其中第二步的反應(yīng)為2Fe＋3H2O＋N2=2NH3＋Fe2O3，則第一步反應(yīng)為 _______ 。

②蒙乃爾篩網(wǎng)處發(fā)生的電極反應(yīng)為： _______ 。

（3）NH3可以合成尿素，反應(yīng)為2NH3（g）＋CO2（g）CO（NH2）2（g）＋H2O（g）。向一體積可變的恒壓容器中充入一定量的NH3和CO2，保持容器的溫度不變，NH3和CO2的轉(zhuǎn)化率隨時(shí)間的變化如圖所示。

①下列情況能說明反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)的是 _______ 。

A NH3和CO2的物質(zhì)的量之比為2∶1

B 容器內(nèi)氣體的密度保持不變

C 2v正（NH3）＝v逆（CO2）

D 各氣體的體積分?jǐn)?shù)保持不變

②起始時(shí)NH3和CO2的物質(zhì)的量之比為 _______ 。

③維持容器的溫度和壓強(qiáng)不變，向上述平衡后的容器中充入NH3（g）、CO（NH2）2（g）和H2O（g）各1 mol，則達(dá)到新平衡時(shí)NH3的體積分?jǐn)?shù)為 _______ 。

Answer 1

【答案】（b＋ － ） Fe2O3＋6e－＋3H2O=2Fe＋6OH－ 4OH－－4e－=2H2O＋O2↑ BD 3∶1 52.94%

【解析】

(1)可根據(jù)蓋斯定理由已知反應(yīng)求得目標(biāo)反應(yīng)的焓變；

(2)觀察其工作原理圖可知，Ni電極變化為N2→NH3，發(fā)生還原反應(yīng)，是陰極，則蒙乃爾篩網(wǎng)處是陽極，發(fā)生氧化反應(yīng)。

(3)①反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，正逆反應(yīng)速率相等，各組分的濃度保持不變及由此衍生的其他物理量進(jìn)行分析；

②設(shè)起始時(shí)NH3和CO2的物質(zhì)的量分別為n(NH3)、n(CO2)，反應(yīng)消耗的CO2的物質(zhì)的量為x，結(jié)合方程式列三段式，結(jié)合氨氣、二氧化碳的轉(zhuǎn)化率進(jìn)行分析計(jì)算，求出n（NH3）:n（CO2）；

③維持容器的溫度和壓強(qiáng)不變，向上述平衡后的容器中充入NH3(g)、CO(NH2)2(g)和H2O(g)各1 mol，進(jìn)行轉(zhuǎn)化，通過把生成物全部轉(zhuǎn)化為反應(yīng)物后，可知轉(zhuǎn)化后比值相等，與原平衡等效，則達(dá)到新平衡時(shí)NH3的體積分?jǐn)?shù)與原平衡相同，所以，只需計(jì)算原平衡中NH3的體積分?jǐn)?shù)即可。

(1)由已知：①2H2(g)+O2(g)=2H2O(l) ΔH＝a k·mol-1

②N2(g)+O2(g) =2NO(g) ΔH＝b k·mol-1

③4NH3(g)+5O2(g) =4NO(g)+6H2O(l) ΔH＝c k·mol-1

根據(jù)蓋斯定理，可由①×+②-③×得反應(yīng)：N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)，則ΔH＝ (b+ - )k·mol-1。答案為：(b+ - )

(2)①用總反應(yīng)減第二步的反應(yīng)得：Fe2O3+6e-+3H2O=2Fe+6OH-。答案為：Fe2O3+6e-+3H2O=2Fe+6OH-

②蒙乃爾篩網(wǎng)處是陽極，OH-放電，發(fā)生氧化反應(yīng)：4OH--4e-=2H2O+O2↑。答案為：4OH--4e-=2H2O+O2↑

(3)①A. NH3和CO2的物質(zhì)的量之比為2∶1時(shí)不一定達(dá)到平衡，A選項(xiàng)錯(cuò)誤；

B. 反應(yīng)體系條件為恒溫恒壓，平衡移動(dòng)，氣體物質(zhì)的量變化，所以氣體體積也變化，而體系氣體質(zhì)量不變，所以密度會(huì)隨平衡的移動(dòng)而變化，密度不變時(shí)反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，B選項(xiàng)正確；

C. 由2v正(NH3)＝v逆(CO2)，得v正(NH3)：v逆(CO2)=1：2，不等于計(jì)量數(shù)之比，反應(yīng)沒有達(dá)到平衡狀態(tài)，C選項(xiàng)錯(cuò)誤；

D. 根據(jù)化學(xué)平衡狀態(tài)的定義，平衡時(shí)各組分的百分含量保持不變，D選項(xiàng)正確；

答案為：BD

②設(shè)起始時(shí)NH3和CO2的物質(zhì)的量分別為n(NH3)、n(CO2)，反應(yīng)消耗的CO2的物質(zhì)的量為x，則有：

，

解得：

答案為：3∶1

③維持容器的溫度和壓強(qiáng)不變，向上述平衡后的容器中充入NH3(g)、CO(NH2)2(g)和H2O(g)各1 mol，進(jìn)行轉(zhuǎn)化:

轉(zhuǎn)化后比值相等，與原平衡等效，則達(dá)到新平衡時(shí)NH3的體積分?jǐn)?shù)與原平衡相同，所以，只需計(jì)算原平衡中NH3的體積分?jǐn)?shù)即可。

在②的計(jì)算中，n(NH3)=3n(CO2)，x=0.6 n(CO2)，則平衡時(shí)總物質(zhì)的量為n(NH3)- 2x+ n(CO2)-x+ x + x = n(NH3)+ n(CO2)-x=3.4 n(CO2)，則達(dá)到新平衡時(shí)NH3的體積分?jǐn)?shù)為：

答案為：52.94%