Question

8．研究氮及其化合物對化工生產有重要意義．
（1）工業(yè)合成氨的原理為N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H=-92.4kJ•mol^-1．
下圖甲表示在一定體積的密閉容器中反應時N₂的物質的量濃度隨時間的變化，圖乙表示在其他條件不變的情況下，改變起始投料中H₂與N₂的物質的量之比（設為n）對該平衡的影響

①已知圖甲中0～t₁ min內，v（H₂）=0.03mol•L^-1•min^-1，則t₁=30 min；若從t₂ min起僅改變一個反應條件，則所改變的條件可能是降低溫度或增大H₂濃度（填一種即可）；圖乙中，b點時n=3．
②已知某溫度下該反應的K=10，該溫度下向容器中同時加入下列濃度的混合氣體：c（H₂）=0.1mol•L^-1，c（N₂）=0.5mol•L^-1，c（NH₃）=0.1mol•L^-1，則在平衡建立過程中NH₃的濃度變化趨勢是逐漸減�。ㄌ睢爸饾u增大”“逐漸減小”或“恒定不變”）．
（2）已知肼（N₂H₄）是二元弱堿，其電離是分步的，電離方程式為N₂H₄+H₂O?N₂H₅⁺+OH^-、N₂H₅⁺+H₂O?N₂H₆²⁺+OH^-．
（3）中國航天科技集團公司計劃在2015年完成20次宇航發(fā)射任務．肼（N₂H₄）可作為火箭發(fā)動機的燃料，與氧化劑N₂O₄反應生成N₂和水蒸氣．
已知：①N₂（g）+2O₂（g）═N₂O₄（l）
△H₁=-195kJ•mol^-1
②N₂H₄（l）+O₂（g）═N₂（g）+2H₂O（g）
△H₂=-534.2kJ•mol^-1
寫出肼和N₂O₄反應的熱化學方程式：2N₂H₄（l）++N₂O₄（l）=3N₂（g）+4H₂O（g）△H=-873.4 kJ•mol^-1．
（4）以NO₂為原料可以制得新型綠色硝化劑N₂O₅，原理是先將NO₂轉化為N₂O₄，然后采用電解法制備N₂O₅，其裝置如圖丙所示，兩端是石墨電極，中間隔板只允許離子通過，不允許水分子通過．
①已知兩室加入的試劑分別是：a．硝酸溶液；b．N₂O₄和無水硝酸，則左室加入的試劑應為b（填代號），其電極反應式為N₂O₄+2HNO₃-2e^-=2N₂O₅+2H⁺．
②若以甲醇燃料電池為電源進行上述電解，已知：CH₃OH（g）+$\frac{3}{2}$O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-651kJ•mol^-1，又知甲醇和水的汽化熱分別為11kJ•mol^-1、44kJ•mol^-1，標準狀況下，該燃料電池消耗0.5mol CH₃OH產生的最大電能為345.8kJ，則該電池的能量效率為95%（電池的能量效率=電池所產生的最大電能與電池所釋放的全部能量之比）．

Answer 1

分析 （1）根據速率之比等于化學計量數之比，然后根據速率的計算公式求出時間；根據影響化學平衡的因素來解答；當N₂與H₂的起始體積比符合方程式中化學計量數之比時，達到平衡時氨的體積分數最大；根據濃度商和化學平衡常數比較，判斷化學平衡移動方向，進而判斷平衡建立過程中NH₃的濃度變化趨勢；
（2）N₂H₄是二元弱堿，其性質與氨氣相似，第一步電離出1個氫氧根離子和N₂H₅⁺，則第二步中N₂H₅⁺電離出1個氫氧根離子和N₂H₆²⁺；
（3）依據蓋斯定律，結合題干熱化學方程式計算寫出；
（4）①由N₂O₄制取N₂O₅需要失去電子，所以N₂O₅在陽極區(qū)生成，即左室為陽極，右室為陰極；
②1mol液態(tài)CH₃OH變成氣態(tài)CH₃OH需吸熱11KJ，1mol液態(tài)水變成氣態(tài)水需吸熱44KJ，結合CH₃OH（g）的燃燒熱△H為-651kJ/mol求解CH₃OH（l）的燃燒熱，電池的能量效率=電池所產生的最大電能與電池所釋放的全部能量之比，根據液態(tài)甲醇的燃燒熱計算0.5mol甲醇完全燃燒放出的熱量，結合原電池產生的電能計算；

解答 解：（1）①0～t₁ min內，v（H₂）=0.03mol•L^-1•min^-1，則v（N₂）=0.01mol•L^-1•min^-1，則v=$\frac{△c}{△t}$=$\frac{0.3mol•{L}^{-1}}{{t}_{1}min}$=0.01mol•L^-1•min^-1，解得t₁=30 min；
從t₂min起N₂的濃度逐漸減小，可能是降低溫度或增大H₂濃度使平衡正向移動引起的；
當N₂與H₂的起始體積比符合方程式中化學計量數之比時，達到平衡時氨的體積分數最大，即圖乙中，b點時n=3；
故答案為：30 min；降低溫度或增大H₂濃度；3；
②c（H₂）=0.1mol•L^-1，c（N₂）=0.5mol•L^-1，c（NH₃）=0.1mol•L^-1，則Qc=$\frac{{c}^{2}（N{H}_{3}）}{c（{N}_{2}）•{c}^{3}（{H}_{2}）}$=$\frac{0．{1}^{2}}{0.5×0．{1}^{3}}$=20＞10，所以反應逆向進行，NH₃的濃度逐漸減��；
故答案為：逐漸減�。�
（2）N₂H₄是二元弱堿，其電離分步進行，第一步N₂H₄部分電離出OH^-、N₂H₅⁺，電離方程式為：N₂H₄+H₂O?N₂H₅⁺+OH^-，則第二步中N₂H₅⁺在溶液中部分電離出出OH^-、N₂H₆²⁺，電離方程式為：N₂H₅⁺+H₂O?N₂H₆²⁺+OH^-；
故答案為：N₂H₄+H₂O?N₂H₅⁺+OH^-；N₂H₅⁺+H₂O?N₂H₆²⁺+OH^-；
（3）①N₂（g）+2O₂（g）=N₂O₄（l）△H₁=-195kJ?mol^-1
②N₂H₄（l）+O₂ （g）=N₂（g）+2H₂O（g）△H₂=-534.2kJ•mol^-1
根據蓋斯定律可知反應②×2-反應①即得到反應：2N₂H₄（l）+N₂O₄（l）=3N₂（g）+4H₂O（g）△H=-873.4 kJ•mol^-1；
故答案為：2N₂H₄（l）++N₂O₄（l）=3N₂（g）+4H₂O（g）△H=-873.4 kJ•mol^-1；
（4）①裝置圖中與電源正極相連的電極為陽極，與電源負極相連的電極為陰極，從電解原理來看，N₂O₄制備N₂O₅為氧化反應，則N₂O₅應在陽極區(qū)生成，故生成N₂O₅的左室為陽極，右室為陰極，生成N₂O₅的反應式為N₂O₄+2HNO₃-2e^-=2N₂O₅+2H⁺；
故答案為：b；N₂O₄+2HNO₃-2e^-=2N₂O₅+2H⁺；
②1mol液態(tài)CH₃OH變成氣態(tài)CH₃OH需吸熱11KJ，CH₃OH（g）=CH₃OH（l）△H=-11KJ/mol①，1mol液態(tài)水變成氣態(tài)水需吸熱44KJ，H₂O（g）=H₂O（l）△H=-44KJ/mol②，CH₃OH（g）+$\frac{3}{2}$O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-651kJ•mol^-1③，則③-①+②×2得：CH₃OH（l）+$\frac{3}{2}$O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（l）△H=（-651KJ/mol+11KJ/mol-88KJ/mol）=-728KJ/mol，理想狀態(tài)下，該燃料電池消耗0.5molCH₃OH（1）產生的熱量為$\frac{728KJ}{2}$=364KJ，所以該燃料電池的理論效率為$\frac{345.8kJ}{364KJ}$×100%=95%；
故答案為：95%；

點評 本題考查反應速率、化學平衡、反應熱的有關計算，電極反應書寫，側重于學生的分析能力和計算能力的考查，注意Qc和K之間的大小關系是判斷反應方向的依據，題目難度中等．