Question

20．自從1902年德國化學家哈伯研究出合成氨的方法以來，氮的固定的相關研究獲得了不斷的發(fā)展．
（1）下表列舉了不同溫度下大氣固氮的部分平衡常數(shù)K值．

反應	大氣固氮N2（g）+O2（g）?2NO（g）
溫度/℃	27	2260
K	3.84×10-31	1

①分析數(shù)據(jù)可知：大氣固氮反應屬于吸熱（填“吸熱”或“放熱”）反應．
②2260℃時，向2L密閉容器中充入0.3molN₂和0.3molO₂，模擬大氣固氮反應，達到平衡時，N₂的轉化率是33.3%（結果保留三位有效數(shù)字）．
（2）工業(yè)固氮的主要形式是：N₂ （g）+3H₂ （g）=2NH₃ （g）△H＜0，如圖是當反應器中按n（N₂）：n（H₂）=1：3 投料后，在200℃、400℃、600℃下，反應達到平衡時，混合物中NH₃的物質的量分數(shù)隨壓強的變化曲線．

①曲線a對應的溫度是200℃．
②關于工業(yè)合成氨的反應，下列敘述正確的是A（填字母）．
A．圖中M、N、Q點平衡常數(shù)K的大小關系是K（M）=K（Q）＞K（N）
B．工業(yè)合成氨之后所以加入催化劑，是因為加入催化劑有利于提高反應的活化能
C．相同壓強下，投料相同，達到平衡所需時間關系為c＞b＞a
③N點時c（NH₃）=0.2mol/L，N點的化學平衡常數(shù)K=0.93（結果保留兩位小數(shù)）．
（3）合成氨原料氣中的氫氣可用天然氣（主要成分為CH₄）在高溫、催化劑作用下與水蒸氣反應制得，反應中每生成2mol CO₂吸收316kJ熱量，該反應的熱化學方程式是CH₄（g）+2H₂O（g）=CO₂（g）+4H₂（g）△H=+158kJ/mol，該方法制得的原料氣中主要雜質是CO₂，若用K₂CO₃溶液吸收，該反應的離子方程式是CO₃^2-+CO₂+H₂O=2HCO₃^-．
（4）合成氨工業(yè)中含氨廢水的處理方法之一是電化學氧化法，將含氨的堿性廢水通入電解系統(tǒng)后，在陽極上氨被氧化成氮氣而脫除，陽極的電極反應式為2NH₃-6e^-+6OH^-=N₂+6H₂O．

Answer 1

分析 （1）①溫度越高，K越大，說明升高溫度，平衡正移；
②依據(jù)平衡三段式列式計算NO的平衡濃度，然后結合方程式計算出消耗氮氣的物質的量，從而可計算出氮氣的轉化率；
（2）①正反應是放熱反應，升高溫度平衡逆向移動，氨氣的含量減小；
②A．相同壓強條件下，投料相同，溫度越高反應速率越大，反應達到平衡時間越短；
B．催化劑能降低反應的活化能；
C．K只受溫度影響，溫度不變平衡常數(shù)不變，正反應為放熱反應，升高溫度平衡逆向移動，平衡常數(shù)減��；
③根據(jù)反應N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）利用三段式計算出平衡時各物質的濃度，并計算平衡常數(shù)；
（3）CH₄在高溫、催化劑作用下與水蒸氣反應的方程式為CH₄（g）+2H₂O（g）=CO₂（g）+4H₂（g），生成2mol CO₂吸收316kJ熱量，則1molCH₄叁加反應時需要吸收的熱量為158kJ，CO₂與K₂CO₃溶液反應生成碳酸氫鈉鉀，據(jù)此答題；
（4）生成的無污染的物質為氮氣，根據(jù)電解原理寫出陽極電極反應式．

解答 解：（1）①由表格數(shù)據(jù)可知，溫度越高，K越大，說明升高溫度，平衡正移，則正反應方向為吸熱反應，
 故答案為：吸熱；
②2260℃時，向2L密閉容器中充入0.3mol N₂和0.3mol O₂，20s時反應達平衡，設此時得到NO為xmol，
        N₂（g）+O₂（g）?2NO（g）
開始   0.3mol    0.3mol  0
轉化  $\frac{1}{2}$xmol     $\frac{1}{2}$xmol   xmol
平衡 （0.3-0.5x）mol  （0.3-0.5x）mol    xmol
化學平衡常數(shù)為生成物濃度系數(shù)次冪的乘積與反應物濃度系數(shù)次冪乘積的比值，則化學平衡常數(shù)K=$\frac{{x}^{2}}{（{0.3-0.5x）}^{2}}$=1，解得：x=0.2，
則平衡時消耗氮氣的物質的量為：0.2mol×$\frac{1}{2}$=0.1mol，
所以平衡時氮氣的轉化率為：$\frac{0.1mol}{0.3mol}$×100%=33.3%，
故答案為：33.3%；
（2）①合成氨的反應為放熱反應，反應溫度越高，越不利于反應正向進行，曲線a的氨氣的物質的量分數(shù)最高，其反應溫度對應相對最低，所以a曲線對應溫度為200℃；
故答案為：200℃；
②A．平衡常數(shù)與溫度有關，與其他條件無關，溫度相同時平衡常數(shù)相同，反應是放熱反應，溫度越高平衡常數(shù)越小，則M、N、Q點平衡常數(shù)K的大小關系是K（M）=K（Q）＞K（N），故A正確；
B．工業(yè)合成氨之后所以加入催化劑，是因為加入催化劑有利于降低反應的活化能，從而加快了反應速率，故B錯誤；
C．相同壓強條件下，投料相同，溫度越高反應速率越大，反應達到平衡時間越短，溫度：a＜b＜c，則達到平衡所需時間關系為c＜b＜a，故C錯誤；
答案為：A；
③N點時氨的物質的量的分數(shù)為20%，利用三段式，設N₂轉化率是b，N₂的起始濃度為a，
根據(jù)反應N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）
起始    a       3a         0
轉化    ab      3ab       2ab
平衡   a-ab     3a-3ab     2ab
根據(jù)題意有：$\frac{2ab}{a-ab+3a-3ab+2ab}$=20%、2ab=0.2，聯(lián)立解得：a=0.3，b=$\frac{1}{3}$，
所以平衡常數(shù)K=$\frac{（{2ab）}^{2}}{（a-ab）•（{3a-3ab）}^{3}}$=$\frac{25}{27}$≈0.93，
故答案為：0.93；
（3）CH₄在高溫、催化劑作用下與水蒸氣反應的方程式為CH₄（g）+2H₂O（g）=CO₂（g）+4H₂（g），生成2mol CO₂吸收316kJ熱量，則1molCH₄叁加反應時需要吸收的熱量為158kJ，所以反應的熱化學方程式是CH₄（g）+2H₂O（g）=CO₂（g）+4H₂（g）△H=+158kJ/mol，CO₂與K₂CO₃溶液反應生成碳酸氫鈉鉀，反應的離子方程式為CO₃^2-+CO₂+H₂O=2HCO₃^-，
故答案為：CH₄（g）+2H₂O（g）=CO₂（g）+4H₂（g）△H=+158kJ/mol；CO₃^2-+CO₂+H₂O=2HCO₃^-；
（4）利用電解法將NH₃•H₂O轉化為對環(huán)境無污染的物質為氮氣，陽極失去電子發(fā)生氧化反應，電極反應式為：2NH₃-6e^-+6OH^-=N₂+6H₂O，
故答案為：2NH₃-6e^-+6OH^-=N₂+6H₂O．

點評 本題考查較為綜合，涉及熱化學方程式的書寫、化學平衡的計算、電解池原理、氧化還原反應的計算等知識，題目難度中等，注意利用三段式進行化學平衡的計算，明確反應速率的概念及計算方法，試題培養(yǎng)了學生的分析、理解能力及化學計算能力．