Question

3．氫氣是新型能源和重要化工原料．
已知：①2CO（g）+O₂（g）=2CO₂（g）△H₁
②CH₄（g）+2O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l）△H₂
③H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=H₂O（l）△H₂
（1）科學(xué)家提出一種利用天然氣制備氫氣的方法：CH₄（g）+CO₂（g）=2CO（g）+2H₂（g）△H，△H=△H₂-△H₁-2△H₃，這種方法的推廣與使用，不僅實(shí)現(xiàn)資源綜合利用，而且還能解決環(huán)境問題是減少二氧化碳排放，緩解溫室效應(yīng)．
（2）氨氣是重要化工原料，在國民經(jīng)濟(jì)中占重要地位．
①在恒溫、容積相等的恒容密閉容器中投入一定量氮?dú)�、氫氣，發(fā)生如下可逆反應(yīng)：
N₂（g）+3H₂（g）═2NH₃（g）△H=-92.4kJ•mol^-1
實(shí)驗(yàn)測得起始、平衡時(shí)的有關(guān)數(shù)據(jù)如表所示：

容器編號	起始時(shí)各物質(zhì)的物質(zhì)的量/mol			平衡時(shí)反應(yīng)中的能量變化
	H2	N2	NH3
Ⅰ	3n	n	0	放出熱量a kJ
Ⅱ	3n	2n	0	放出熱量b kJ
Ⅲ	6n	2n	0	放出熱量c kJ

下列判斷正確的是BC．
A．N₂的轉(zhuǎn)化率：Ⅱ＞I＞Ⅲ
B．放出熱量：a＜b＜92.4n
C．達(dá)到平衡時(shí)氨氣的體積分?jǐn)?shù)：Ⅲ＞Ⅰ
D．平衡常數(shù)：Ⅲ＞Ⅱ＞Ⅰ
②在密閉恒容容器中投入一定量氮?dú)夂蜌錃�，混合氣體中氨氣體積分?jǐn)?shù)和溫度關(guān)系如圖所示：
曲線TJ段變化主要原因是平衡之前，反應(yīng)向生成氨方向進(jìn)行，JL段變化的主要原因是該正反應(yīng)是放熱反應(yīng)，平衡之后，升高溫度，平衡向逆方向移動，促進(jìn)氨分解，氨的體積分?jǐn)?shù)減小，氨氣正反應(yīng)速率：T點(diǎn)小于小于L點(diǎn)（填：大于、小于或等于）．
③在2L密閉容器中充入一定量的氨氣，氨氣的物質(zhì)的量與反應(yīng)時(shí)間關(guān)系如表所示：

時(shí)間/min	0	5	10	15	20	25	…
NH3/mol	2	1.0	0.5	0.25	0.24	0.24

在該條件下，前5分鐘H₂平均反應(yīng)速率為0.15mol/（L•min）．
④常溫下，在V mL的a mol•L^-1稀硫酸溶液中滴加b mol•L^-1稀氨水V mL恰好使混合溶液呈中性．此時(shí)，一水合氨的電離常數(shù)K_b=$\frac{2a}{（b-2a）×1{0}^{7}}$（用含a、b代數(shù)式表示）．
（3）氫氣直接作燃料電池的理論輸出電壓為1.2V，能量密度E=$\frac{\frac{1.2V×\frac{1000g}{2g/mol×2×96500C/mol}}{1kg}}{3.6×1{0}^{6}J•k{W}^{-1}•{h}^{-1}}$=32.2kW•h•kg^-1（列式計(jì)算，精確到小數(shù)點(diǎn)后一位．提示：能量密度=電池輸出電能/燃料質(zhì)量，1kW•h=3.6×106J，常用單位為kW•h•kg^-1）．

Answer 1

分析 （1）已知：①2CO（g）+O₂（g）=2CO₂（g）△H₁
②CH₄（g）+2O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l）△H₂
③H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=H₂O（l）△H₂
由蓋斯定律②-①-2×③可得CH₄（g）+CO₂（g）=2CO（g）+2H₂（g）；該方法減少了二氧化碳的排放；
（2）①恒溫相同體積的容器，以Ⅰ為參照，Ⅱ則相當(dāng)于在Ⅰ的平衡基礎(chǔ)上加入n mol氮?dú)猓�平衡較Ⅰ正向移動，Ⅲ的初始投入量是Ⅰ的兩倍，則考慮為兩個Ⅰ的平衡總和，容積相同，則將兩個Ⅰ壓縮體積，所以Ⅲ相當(dāng)于對Ⅰ增大壓強(qiáng)，平衡正向移動，據(jù)此分析；
②TJ段未達(dá)到平衡，反應(yīng)向生成氨方向進(jìn)行，溫度升高，反應(yīng)加快，氨氣體積分?jǐn)?shù)增大；當(dāng)J點(diǎn)達(dá)到平衡，JL段：該正反應(yīng)是放熱反應(yīng)，升高溫度，平衡向逆方向移動，促進(jìn)氨分解，氨的體積分?jǐn)?shù)減�。甃點(diǎn)溫度高于T點(diǎn)溫度，兩點(diǎn)的各物質(zhì)濃度相等；
③根據(jù)v=$\frac{△c}{△t}$計(jì)算氨氣表示的反應(yīng)速率，再由反應(yīng)速率之比等于化學(xué)計(jì)量數(shù)之比計(jì)算氫氣表示的反應(yīng)速率；
④稀溶液總體積等于兩種溶液體積之和，根據(jù)電荷守恒計(jì)算離子的濃度，根據(jù)電離平衡常數(shù)表達(dá)式計(jì)算即可；
（3）氫氣直接作燃料電池的負(fù)極上的反應(yīng)是：H₂-2e^-+2OH^-=2H₂O，根據(jù)能量密度定義計(jì)算即可．

解答 解：（1）已知：①2CO（g）+O₂（g）=2CO₂（g）△H₁
②CH₄（g）+2O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l）△H₂
③H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=H₂O（l）△H₂
由蓋斯定律②-①-2×③可得CH₄（g）+CO₂（g）=2CO（g）+2H₂（g）△H=△H₂-△H₁-2△H₃；該方法減少二氧化碳排放，緩解溫室效應(yīng)；
故答案為：△H₂-△H₁-2△H₃；減少二氧化碳排放，緩解溫室效應(yīng)；
（2）①A、實(shí)驗(yàn)I和III比較，實(shí)驗(yàn)III相當(dāng)于實(shí)驗(yàn)I體積壓縮一半，加壓時(shí)平衡向正方向移動，N₂轉(zhuǎn)化率增大，III中氮?dú)廪D(zhuǎn)化率大于I中氮?dú)廪D(zhuǎn)化率；I、II實(shí)驗(yàn)中氫氣量相等，氮?dú)饬吭蕉�，氮�(dú)廪D(zhuǎn)化率減小，I中氮?dú)廪D(zhuǎn)化率大于II中氮?dú)廪D(zhuǎn)化率，故III、I、II中氮?dú)廪D(zhuǎn)化率依次增大，A錯誤；
B、可逆反應(yīng)的熱化學(xué)方程式表示：1mol氮?dú)夂?mol氫氣完全反應(yīng)放出92.4kJ熱量．根據(jù)可逆反應(yīng)特點(diǎn)，3mol氫氣和1mol氮?dú)獠荒芡耆�生成NH₃．II生成的氨氣量大于I，B項(xiàng)正確；
C、如果平衡不移動，III中氨氣量是I中2倍，氨氣體積分?jǐn)?shù)相等．在恒容條件下，I容器加壓變成III，增大壓強(qiáng)，平衡向生成NH₃方向移動，氨體積分?jǐn)?shù)增大，C正確；
D、溫度不變，平衡常數(shù)不變，三個容器中平衡常數(shù)相等，D錯誤；
故答案為：BC；
②TJ段未達(dá)到平衡，反應(yīng)向生成氨方向進(jìn)行，溫度升高，反應(yīng)加快，氨氣體積分?jǐn)?shù)增大；當(dāng)J點(diǎn)達(dá)到平衡，JL段：該正反應(yīng)是放熱反應(yīng)，升高溫度，平衡向逆方向移動，促進(jìn)氨分解，氨的體積分?jǐn)?shù)減�。甃點(diǎn)溫度高于T點(diǎn)溫度，兩點(diǎn)的各物質(zhì)濃度相等，所以，L點(diǎn)氨的正反應(yīng)速率較大；
故答案為：平衡之前，反應(yīng)向生成氨方向進(jìn)行；該正反應(yīng)是放熱反應(yīng)，平衡之后，升高溫度，平衡向逆方向移動，促進(jìn)氨分解，氨的體積分?jǐn)?shù)減�。恍∮�；
③由表可知，前5min生成氨氣1mol，則v（NH₃）=$\frac{1mol÷2L}{5min}$=0.1mol/（L•min），根據(jù)化學(xué)反應(yīng)中速率之比等于系數(shù)之比，得出v（H₂）=1.5v（NH₃）=0.15mol/（L•min）；
故答案為：0.15mol/（L•min）；
④稀溶液總體積等于兩種溶液體積之和．根據(jù)電荷守恒有：c（NH₄⁺）+c（H⁺）=c（OH^-）+2c（SO₄^2-），當(dāng)溶液呈中性時(shí)c（H⁺）=c（OH^-）=1.0×10^-7mol/L，推知：c（NH₄⁺）=2c（SO₄^2-），c（SO₄^2-）=0.5a mol/L，c（NH₄⁺）=a mol/L，c（NH₃•H₂O）+c（NH₄⁺）=0.5b mol/L，c（NH₃•H₂O）=（0.5b-a）mol/L．K_b=$\frac{c（N{{H}_{4}}^{+}）•c（O{H}^{-}）}{c（N{H}_{3}•{H}_{2}O）}$=$\frac{a×1{0}^{-7}}{0.5b-a}$=$\frac{2a}{（b-2a）×1{0}^{7}}$；
故答案為：$\frac{2a}{（b-2a）×1{0}^{7}}$；
（3）H₂-2e^-+2OH^-=2H₂O，根據(jù)能量密度定義，E=$\frac{\frac{1.2V×\frac{1000g}{2g/mol×2×96500C/mol}}{1kg}}{3.6×1{0}^{6}J•k{W}^{-1}•{h}^{-1}}$=32.2kW•h•kg^-1，故答案為：$\frac{\frac{1.2V×\frac{1000g}{2g/mol×2×96500C/mol}}{1kg}}{3.6×1{0}^{6}J•k{W}^{-1}•{h}^{-1}}$=32.2kW•h•kg^-1．

點(diǎn)評 本題綜合考查學(xué)生化學(xué)反應(yīng)速率的計(jì)算、化學(xué)平衡移動原理的應(yīng)用、溶液中離子濃度之間的關(guān)系等知識，注意知識的歸納和梳理是解題的關(guān)鍵，題目難度大．