Question

【題目】氨氣及含氮化合物在化工生產(chǎn)和國防工業(yè)中具有廣泛應(yīng)用。請回答：

（1）已知：(i)氫氣的燃燒熱為286.0 kJ·mol-1

(ii)4NH3(g)+3O2(g)2N2(g)+6H2O (l) ΔH=- 1530.6 kJ·mol-1。

合成氨反應(yīng)的熱化學(xué)方程式為_____________________________。

（2）恒溫恒容條件下，起始按物質(zhì)的量之比為1∶1向密閉容器中充入N2(g)和H2(g)，發(fā)生合成氨的反應(yīng)。達(dá)平衡后，N2(g)的體積分?jǐn)?shù)為_______________；然后只降低溫度，N2(g)的體積分?jǐn)?shù)會(huì)_________（填選項(xiàng)字母）。

A.增大 B.減小 C.不變 D.不能判斷

（3）T℃時(shí)，CO2(g)和NH3(g)合成尿素的原理為2NH3(g)+CO2(g)CO(NH2)2(s)+H2O(1)。在2 L恒容密閉容器中，通入1.2 mol NH3(g)和0.6 mol CO2(g)，2 min時(shí)反應(yīng)恰好達(dá)到平衡，測得c(NH3)=0.2 mol·L-1。

①0~2min內(nèi)，用NH3表示的反應(yīng)速率υ(NH3)=___________；反應(yīng)的平衡常數(shù)K=____________。

②若其他條件不變，2 min時(shí)將容器體積迅速壓縮到1L，在3 min時(shí)重新達(dá)到平衡，請?jiān)趫D1中畫出2~3 min內(nèi)c(NH3)隨時(shí)間(t)變化的曲線關(guān)系圖。

（4）堿性氨氣燃料電池的裝置如圖2 所示，寫出負(fù)極的電極反應(yīng)式____________________。當(dāng)電路中每通過3.6 mol e-，則需要標(biāo)況下空氣的體積________________L。

Answer 1

【答案】 N2(g)+3H2(g)2NH3(g) △H=-92.7 kJmol-1 50% C 0.2 mol·L-1·min-1 250 2NH3-6e-+6OH-=N2+6H2O 100.8

【解析】（1）根據(jù)H2的燃燒熱寫出H2燃燒的熱化學(xué)方程式，再用蓋斯定律。

（2）用三段式計(jì)算平衡后N2（g）的體積分?jǐn)?shù)。降低溫度，平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，N2（g）物質(zhì)的量減小，氣體總物質(zhì)的量也減小，結(jié)合計(jì)算判斷N2（g）的體積分?jǐn)?shù)。

（3）①根據(jù)化學(xué)反應(yīng)速率的含義計(jì)算υ（NH3）。用三段式和化學(xué)平衡常數(shù)表達(dá)式計(jì)算K。

②其他條件不變時(shí)，將容器體積迅速壓縮到1L，NH3（g）、CO2（g）迅速增大到平衡時(shí)的兩倍；增大壓強(qiáng)平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，NH3（g）、CO2（g）濃度又減小，再依據(jù)化學(xué)平衡常數(shù)計(jì)算3min平衡時(shí)c（NH3）。

（4）根據(jù)裝置圖中電子的流向，通入NH3的一極為負(fù)極，通入O2的一極為正極；NH3失電子被氧化成N2，結(jié)合堿性條件、原子守恒和電荷守恒寫電極反應(yīng)式，根據(jù)電極反應(yīng)式計(jì)算消耗標(biāo)準(zhǔn)狀況下空氣的體積。

（1）氫氣的燃燒熱為286.0kJ/mol，H2燃燒的熱化學(xué)方程式為H2（g）+O2（g）=H2O（l）ΔH=-286.0kJ/mol（i）

4NH3（g）+3O2（g）2N2（g）+6H2O（l） ΔH=- 1530.6 kJ/mol（ii）

應(yīng)用蓋斯定律，將[（i）6-（ii）]2得，N2（g）+3H2（g）2NH3（g）ΔH=[（-286.0kJ/mol）6-（-1530.6kJ/mol）]2=-92.7kJ/mol，合成氨反應(yīng)的熱化學(xué)方程式為N2（g）+3H2（g）2NH3（g）ΔH=-92.7kJ/mol。

（2）設(shè)起始N2、H2物質(zhì)的量都為amol，從起始到平衡過程中轉(zhuǎn)化N2物質(zhì)的量為xmol，用三段式

N2（g）+3H2（g）2NH3（g）

n（起始）（mol） a a 0

n（轉(zhuǎn)化）（mol） x 3x 2x

n（平衡）（mol）a-x a-3x 2x

達(dá)平衡后，N2（g）的體積分?jǐn)?shù)為100%=100%=50%。

降低溫度，平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，N2（g）物質(zhì)的量減小，氣體總物質(zhì)的量也減小，根據(jù)上述計(jì)算，N2（g）的體積分?jǐn)?shù)與a、x無關(guān)，恒為50%，即N2（g）的體積分?jǐn)?shù)不變，答案選C。

（3）①υ（NH3）===0.2mol/（L·min）。用三段式

2NH3（g）+CO2（g）CO（NH2）2（s）+H2O（l）

c（起始）（mol/L） 0.6 0.3

c（轉(zhuǎn)化）（mol/L） 0.4 0.2

c（平衡）（mol/L） 0.2 0.1

反應(yīng)的平衡常數(shù)K===250。

②其他條件不變時(shí)，將容器體積迅速壓縮到1L，NH3（g）、CO2（g）迅速增大到平衡時(shí)的兩倍，瞬時(shí)NH3（g）、CO2（g）的濃度依次為0.4mol/L、0.2mol/L；增大壓強(qiáng)平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，NH3（g）、CO2（g）濃度又減小，設(shè)3min平衡時(shí)c（NH3）=ymol/L，用三段式

2NH3（g）+CO2（g）CO（NH2）2（s）+H2O（l）

2min體積壓縮至1L時(shí)（mol/L） 0.4 0.2

2~3min內(nèi)c（轉(zhuǎn)化）（mol/L） 0.4-y

3min時(shí)c（平衡）（mol/L） y

溫度不變，化學(xué)平衡常數(shù)不變，K===250，解得y=0.2。作圖要點(diǎn)：2min時(shí)c（NH3）為0.4mol/L，2~3min內(nèi)c（NH3）逐漸減小，3min時(shí)達(dá)到平衡c（NH3）=0.2mol/L。

（4）根據(jù)裝置圖中電子的流向，通入NH3的一極為負(fù)極，通入O2的一極為正極，NH3失電子生成N2，2molNH3失去6mol電子生成1molN2，結(jié)合堿性條件、原子守恒和電荷守恒，負(fù)極電極反應(yīng)式為2NH3-6e-+6OH-=N2+6H2O。正極電極反應(yīng)式為O2+4e-+2H2O=4OH-，當(dāng)電路中通過3.6mole-時(shí)，消耗O2物質(zhì)的量為0.9mol，消耗標(biāo)準(zhǔn)狀況下O2的體積為0.9mol22.4L/mol=20.16L，需要標(biāo)準(zhǔn)狀況下空氣的體積為20.16L0.2=100.8L。