Question

16．人工固氮是指將氮元素由游離態(tài)轉化為化合態(tài)的過程．
Ⅰ．最近一些科學家研究采用高質子導電性的SCY陶瓷（能傳遞H⁺）實驗氮的固定一電解法合成氨，大大提高了氮氣和氫氣的轉化率．總反應式為：N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g），
（1）則在電解法合成氨的過程中，應將H₂不斷地通入陽極（填“陰”或“陽”）；向另一電極通入N₂，該電極的反應式為N₂+6H⁺+6e^-=2NH₃．
（2）燃燒電池是一種高效的新型電池，如果以甲醇和空氣為反應物，碳酸鉀溶液作為電解質溶液，設計成燃料電池，則該電池工作時負極反應是CH₃OH+7CO₃^2-+2H₂O-6e^-═8HCO₃^-；總反應是：2CH₃OH+3O₂+2CO₃^2-═4HCO₃^-+2H₂O（寫離子方程式）；
Ⅱ．據(jù)報道，在一定條件下，N₂在摻有少量氧化鐵的二氧化鈦催化劑表面能與水發(fā)生反應，主要產(chǎn)物為NH₃，相應的反應方程式為：2N₂（g）+6H₂O（g）?4NH₃（g）+3O₂（g）△H=Q．
（1）上述反應的平衡常數(shù)表達式為$\frac{{c}^{4}（N{H}_{3}）×{c}^{3}（{O}_{2}）}{{c}^{2}（{N}_{2}）×{c}^{2}（{H}_{2}O）}$．
（2）若上述反應在有催化劑的情況下發(fā)生，則下圖所示的a、b、c、d四條曲線中，能表示反應體系能量變化的是d（選填字母代號），圖中△H的絕對值為1530kJ•mol^-1．
Ⅲ．目前工業(yè)合成氨的原理是：N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H=-93.0kJ/mol．
回答下列問題：
（1）結合Ⅱ中的數(shù)據(jù)，則2H₂（g）+O₂（g）=2H₂O（g）的△H=-572KJ/mol．
（2）在一定溫度下，將1molN₂和3mol H₂混合置于體積不變的密閉容器中發(fā)生反應，達到平衡狀態(tài)時，測得氣體總物質的量為2.8mol．
①達平衡時，H₂的轉化率α₁=60%．
②在相同條件下（等溫、等容），若起始時只將NH₃置于該容器中，達到平衡狀態(tài)時NH₃的轉化率為α₂，當α₁+α₂=1時，則起始時NH₃的物質的量n（NH₃）=2mol．

Answer 1

分析 Ⅰ．（1）在電解法合成氨的過程中，氫氣發(fā)生氧化反應，應在陽極通入，氮氣發(fā)生還原反應，在陰極通入，陰極上是氮獲得電子，與質子結合生成氨氣；
（2）本質是甲醇燃燒生成二氧化碳與水，二氧化碳再與碳酸鉀反應生成碳酸氫鉀，原電池負極發(fā)生氧化反應，甲醇在負極失去電子生成碳酸氫根；
Ⅱ．（1）平衡常數(shù)為生成物平衡濃度化學計量數(shù)冪乘積與反應物平衡濃度化學計量數(shù)冪乘積的比；
（2）正反應為吸熱反應，則反應物總能量小于生成物總能量，使用催化劑降低活化能，而反應熱只與始態(tài)、終態(tài)有關，催化劑不影響反應熱；
Ⅲ．（1）①2N₂（g）+6H₂O（g）?4NH₃（g）+3O₂（g）△H═+1530kJ/mol，
②N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H═-93.0kJ/mol
根據(jù)蓋斯定律計算，（②×2-①）÷3得到：2H₂（g）+O₂（g）═2H₂O（g），焓變也進行相應計算；
（2）①在一定溫度下，將1molN₂和3mol H₂混合置于體積不變的密閉容器中發(fā)生反應，達到平衡狀態(tài)時，測得氣體總物質的量為2.8mol，設參加反應的氮氣為xmol，則：
             N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）
起始量（mol）：1      3         0
變化量（mol）：x      3x        2x
平衡量（mol）：1-x    3-3x      2x
再根據(jù)平衡時總物質的量列方程計算解答；
②在相同條件下，若起始時只將NH₃置于該容器中，達到平衡狀態(tài)時NH₃的轉化率為a₂，當a₁+a₂=1時，則與原平衡為等效平衡，完全轉化到左邊滿足1molN₂和3mol H₂．

解答 解：Ⅰ．在電解法合成氨的過程中，氫氣發(fā)生氧化反應，應在陽極通入，氮氣發(fā)生還原反應，在陰極通入，陰極上是氮獲得電子，與質子結合生成氨氣，陰極電極反應式為：N₂+6H⁺+6e^-=2NH₃，
故答案為：陽；N₂+6H⁺+6e^-=2NH₃；
（2）本質是甲醇燃燒生成二氧化碳與水，二氧化碳再與碳酸鉀反應生成碳酸氫鉀，原電池負極發(fā)生氧化反應，甲醇在負極失去電子生成碳酸氫根，負極電極反應式為：CH₃OH+7CO₃^2-+2H₂O-6e^-═8HCO₃^-，總反應離子方程式為：2CH₃OH+3O₂+2CO₃^2-═4HCO₃^-+2H₂O，
故答案為：CH₃OH+7CO₃^2-+2H₂O-6e^-═8HCO₃^-；2CH₃OH+3O₂+2CO₃^2-═4HCO₃^-+2H₂O；
Ⅱ．（1）2N₂（g）+6H₂O（g）?4NH₃（g）+3O₂（g）的平衡常數(shù)表達式K=$\frac{{c}^{4}（N{H}_{3}）×{c}^{3}（{O}_{2}）}{{c}^{2}（{N}_{2}）×{c}^{2}（{H}_{2}O）}$，
故答案為：$\frac{{c}^{4}（N{H}_{3}）×{c}^{3}（{O}_{2}）}{{c}^{2}（{N}_{2}）×{c}^{2}（{H}_{2}O）}$；
（2）正反應為吸熱反應，則反應物總能量小于生成物總能量，使用催化劑降低活化能，而反應熱只與始態(tài)、終態(tài)有關，催化劑不影響反應熱，圖中曲線d符合，
故答案為：d；
Ⅲ．（1）①2N₂（g）+6H₂O（g）?4NH₃（g）+3O₂（g）△H═+1530kJ/mol，
②N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H═-93.0kJ/mol
根據(jù)蓋斯定律計算，（②×2-①）÷3得到：2H₂（g）+O₂（g）═2H₂O（g）△H═-572KJ/mol；
故答案為：-572KJ/mol；
（2）①在一定溫度下，將1molN₂和3mol H₂混合置于體積不變的密閉容器中發(fā)生反應，達到平衡狀態(tài)時，測得氣體總物質的量為2.8mol，設參加反應的氮氣為xmol，則：
             N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）
起始量（mol）：1      3         0
變化量（mol）：x      3x        2x
平衡量（mol）：1-x    3-3x      2x
故1-x+3-3x+2x=2.8，解得x=0.6，故氫氣的轉化率為$\frac{1.8mol}{3mol}$×100%=60%，
故答案為：60%；
②在相同條件下，若起始時只將NH₃置于該容器中，達到平衡狀態(tài)時NH₃的轉化率為a₂，當a₁+a₂=1時，則與原平衡為等效平衡，完全轉化到左邊滿足1molN₂和3mol H₂，則n（NH₃）=2mol，
故答案為：2．

點評 本題考查化學平衡計算與影響因素、電化學、反應熱計算、等效平衡等，Ⅲ中（2）注意理解等效平衡規(guī)律，難度中等．