Question

11．合成氨的工業(yè)化生產(chǎn)，解決了世界糧食問題，是重大的化學研究成果．現(xiàn)將lmolN₂和3molH₂投入1L的密閉容器，在一定條件下，利用N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H＜0反應(yīng)模擬哈伯合成氨的工業(yè)化生產(chǎn)．當改變某一外界條件（溫度或壓強）時，NH₃的體積分數(shù)ψ（NH₃）變化趨勢如圖所示．
回答下列問題：
（1）已知：
①NH₃（I）?NH₃（g）△H₁
②N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（I）△H₂
則反應(yīng)N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）的△H=2△H₁+△H₂（用含△H₁、△H₂的代數(shù)式表示）．
（2）合成氨的平衡常數(shù)表達式為K=$\frac{{c}^{2}（N{H}_{3}）}{c（{N}_{2}）•{c}^{3}（{H}_{2}）}$，平衡時，M點NH₃的體積分數(shù)為10%，則N₂的轉(zhuǎn)化率為18%（保留兩位有效數(shù)字）．
（3）圖中，Y軸表示溫度（填“溫度”或“壓強”），判斷的理由是隨Y值增大，φ（NH₃）減小，平衡N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H＜0向逆反應(yīng)方向移動，故Y為溫度．
（4）利用氨氣設(shè)計一種環(huán)保燃料電池，一極通入氨氣，另一極通入空氣，電解質(zhì)是摻雜氧化釔（Y₂0₃）的氧化鋯（ZrO₂）晶體，它在熔融狀態(tài)下能傳導O^2-．寫出負極的電極反應(yīng)式2NH₃+3O^2--6e^-=N₂+3H₂O．

Answer 1

分析 （1）根據(jù)蓋斯定律，①×2+②可得③，反應(yīng)熱也進行相應(yīng)計算；
（2）化學平衡常數(shù)是指：一定溫度下，可逆反應(yīng)到達平衡時，生成物的濃度系數(shù)次冪之積與反應(yīng)物的濃度系數(shù)次冪之積的比，固體、純液體不需要在化學平衡常數(shù)中寫出；設(shè)轉(zhuǎn)化的氮氣為xmol，表示出平衡時各物質(zhì)的物質(zhì)的量，再根據(jù)M點NH₃的體積分數(shù)為10%列方程計算解答；
（3）隨Y值增大，φ（NH₃）減小，平衡N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H＜0向逆反應(yīng)方向移動，正反應(yīng)為體積減小的放熱反應(yīng)，故Y為溫度，則X為壓強，增大壓強平衡正向移動，φ（NH₃）增大；
（4）原電池負極發(fā)生氧化反應(yīng)，氨氣在負極失去電子，與電解質(zhì)氧化傳導的O^2-結(jié)合生成氮氣與水．

解答 解：（1）已知：①NH₃（l）?NH₃（g）△H₁
②N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（l）△H₂
根據(jù)蓋斯定律，①×2+②可得：N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g），故△H=2△H₁+△H₂，
故答案為：2△H₁+△H₂；
（2）反應(yīng)N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）的平衡常數(shù)表達式K=$\frac{{c}^{2}（N{H}_{3}）}{c（{N}_{2}）•{c}^{3}（{H}_{2}）}$；
設(shè)轉(zhuǎn)化的氮氣為xmol，則：N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）
起始量（mol）：1        3        0
轉(zhuǎn)化量（mol）：x       3x        2x
平衡量（mol）：1-x      3-3x       2x
所以$\frac{2x}{4-2x}$=10%，解得x=$\frac{2}{11}$mol，故氮氣轉(zhuǎn)化率為$\frac{\frac{2}{11}mol}{1mol}$×100%=18%，
故答案為：K=$\frac{{c}^{2}（N{H}_{3}）}{c（{N}_{2}）•{c}^{3}（{H}_{2}）}$；18%；
（3）隨Y值增大，φ（NH₃）減小，平衡N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H＜0向逆反應(yīng)方向移動，正反應(yīng)為體積減小的放熱反應(yīng)，故Y為溫度，則X為壓強，增大壓強平衡正向移動；
故答案為：溫度；隨Y值增大，φ（NH₃）減小，平衡N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H＜0向逆反應(yīng)方向移動，故Y為溫度；
（4）原電池負極發(fā)生氧化反應(yīng)，氨氣在負極失去電子，與電解質(zhì)氧化傳導的O^2-結(jié)合生成氮氣與水，負極電極反應(yīng)式為：2NH₃+3O^2--6e^-=N₂+3H₂O，
故答案為：2NH₃+3O^2--6e^-=N₂+3H₂O．

點評 本題考查化學平衡計算與影響因素、反應(yīng)熱計算、原電池等，題目比較綜合，需要學生具備扎實的基礎(chǔ)與靈活應(yīng)用能力，難度中等．