Question

3．为研究哈伯法合成氨反应，T℃时，在容积为2L恒容容器中通入4mol N₂和12mol H₂，反应如下：
N₂（g）+3H₂（g） $?_{高温高压}^{催化剂}$2NH₃（g）△H=-92kJ/mol
相关键能数据如下：

	N≡N	H-H	N-H
键能数据（KJ/mol）	946	436	x

若25min时反应达到平衡，各物质浓度随时间变化曲线如图中甲、乙、丙．回答下列问题：

（1）0-25min内，反应的平均速率v（H₂）为0.12mol/（L•min）；表中x=391．
（2）T℃时，该反应的平衡常数K=$\frac{4}{27}$L²/mol²（用最简分数表达）．
（3）T℃时，若起始充入8molN₂和24molH₂，则反应刚达到平衡时，表示c（H₂）在图中相应的点为B（填字母）．
（4）以煤为主要原料的合成氨工业中，原料气氢气常用下述方法获得：
①C（s）+H₂O（g）?CO（g）+H₂（g）△H₁
②CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H₂
若已知CO和H₂的燃烧热分别为283KJ•mol^-1和285.8KJ•mol^-1
H₂O（g）=H₂O（l）△H=-44kJ/mol，则△H₂=-41.2kJ/mol．
（5）氨气是生产硝酸的重要原料，其过程如图1：

写出步骤I的化学方程式：4NH₃+5O₂$\frac{\underline{催化剂}}{△}$4NO+6H₂O
（6）图2是科学家提出的利用电解法常温常压下由氮气、氢气合成氨的示意图：由图可知，把电极B是电解池的阳极（填“阴极”或“阳极”）；把电极A上的电极反应式为N₂+6e^-+6H⁺=2NH₃．

Answer 1

分析 （1）根据浓度变化图，随着反应的进行，浓度变小的是反应物，浓度变大的是生成物，在相同时间内，浓度下降的大的反应物，其化学计量数也大，则甲图线是H₂浓度变化图，0-25min内，H₂的浓度变化为△c（H₂）=6mol/L-3mol/L=3mol/L，根据化学反应平均速率计算公式v（H₂）=$\frac{△c（{H}_{2}）}{△t}$计算，根据盖斯定律计算N-H键键能；
（2）T℃时，在容积为2L恒容容器中通入4mol N₂和12mol H₂，根据浓度变化图象，计算出平衡时各组分的浓度，反应的平衡常数为K=$\frac{{c}^{2}（N{H}_{3}）}{{c}^{3}（{H}_{2}）c（{N}_{2}）}$，代入数据计算；
（3）温度不变，平常数不变，反应N₂（g）+3H₂（g） $?_{高温高压}^{催化剂}$2NH₃（g）为气体数减少的反应，加压则化学平衡向正反应方向移动，有助于反应正向进行，先假设平衡不移动，在考虑实际平衡移动的情况，据此分析；
（4）根据已知热效应的热化学方程式及CO和H₂的燃烧热，结合盖斯定律计算所求反应的焓变；
（5）根据流程图分析，步骤I为NH₃催化氧化生成NO，据此写出反应的化学方程式；
（6）电解法常温常压下由氮气、氢气合成氨，根据装置图分析，通入H₂在钯电极B处产生H⁺，这一个过程为失电子反应，则电解池中，物质在阳极处失电子，N₂在钯电极A处转化为NH₃，这一个过程是得电子反应，N₂中N得到电子，N₂发生还原反应，与H⁺结合产生NH₃，据此写出电极A的电极反应式．

解答 解：（1）根据浓度变化图，随着反应的进行，浓度变小的是反应物，浓度变大的是生成物，在相同时间内，浓度下降的大的反应物，其化学计量数也大，则甲图线是H₂浓度变化图，0-25min内，即△t=25min，
H₂的浓度变化为△c（H₂）=6mol/L-3mol/L=3mol/L，则反应的平均速率v（H₂）=$\frac{△c（{H}_{2}）}{△t}$=0.12mol/（L•min），
根据盖斯定律，对于反应N₂（g）+3H₂（g） $?_{高温高压}^{催化剂}$2NH₃（g），焓变△H=E（N≡N）+3E（H-H）-6E（N-H）=-92，则E（N-H）=x=391kJ/mol，
故答案为：0.12mol/（L•min）；391；
（2）反应为N₂（g）+3H₂（g） $?_{高温高压}^{催化剂}$2NH₃（g），T℃时，在容积为2L恒容容器中通入4mol N₂和12mol H₂，根据浓度变化图象，平衡时，c（N₂）=1mol/L，c（H₂）=3mol/L，c（NH₃）=2mol/L，反应的平衡常数为K=$\frac{{c}^{2}（N{H}_{3}）}{{c}^{3}（{H}_{2}）c（{N}_{2}）}$=$\frac{（2mol/L）^{2}}{（3mol/L）^{3}×（1mol/L）}$=$\frac{4}{27}{L}^{2}/mo{l}^{2}$，
故答案为：$\frac{4}{27}{L}^{2}/mo{l}^{2}$；
（3）温度不变，平常数不变，反应N₂（g）+3H₂（g） $?_{高温高压}^{催化剂}$2NH₃（g）为气体数减少的反应，加压则化学平衡向正反应方向移动，有助于反应正向进行，原平衡起始时充入4mol N₂和12mol H₂，若起始充入8molN₂和24molH₂，相当于对原平衡加压，则反应向正反应方向进行，若平衡不发生移动，则平衡时c（H₂）应为原来的两倍6mol/L，加压有利于反应正向进行，则平衡时c（H₂）＜6mol/L，平衡时c（NH₃）＞4mol/L，而c（H₂）＞c（NH₃）＞4mol/L，据此判断，H₂平衡时的浓度为B点，
故答案为：B；
（4）③CO的燃烧热为283kJ/mol，则CO（g）+$\frac{1}{2}{O}_{2}（g）$=CO₂（g）△H₃=-283kJ/mol，
         ④H₂的燃烧热为285.8kJ/mol，则H₂（g）+$\frac{1}{2}{O}_{2}（g）$=H₂O（l）△H₄=-285.8kJ/mol，
         ⑤H₂O（g）=H₂O（l）△H₅=-44kJ/mol，
反应②CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g），该反应可由③-④+⑤得到，根据盖斯定律，则△H₂=△H₃-△H₄+△H₅=-283-（285.8）-44=-41.2kJ/mol，
故答案为：-41.2kJ/mol；
（5）根据流程图分析，步骤I为NH₃催化氧化生成NO，则步骤I的反应方程式为：4NH₃+5O₂$\frac{\underline{催化剂}}{△}$4NO+6H₂O，
故答案为：4NH₃+5O₂$\frac{\underline{催化剂}}{△}$4NO+6H₂O；
（6）电解法常温常压下由氮气、氢气合成氨，根据装置图分析，通入H₂在钯电极B处产生H⁺，这一个过程为失电子反应，则电解池中，物质在阳极处失电子，则钯电极B为电解池的阳极，
N₂在钯电极A处转化为NH₃，这一个过程是得电子反应，N₂中N得到电子，N₂发生还原反应，与H⁺结合产生NH₃，则钯电极A处的电极反应式为：N₂+6e^-+6H⁺=2NH₃，
故答案为：N₂+6e^-+6H⁺=2NH₃．

点评 本题主要考察化学原理部分知识，包含化学反应速率的计算，盖斯定律的应用，化学平衡的移动，电化学原理，电极反应式的书写．需注意，燃烧热是指1mol物质完全氧化，生成稳定的参考物质时反应的热效应，对于参考物质，C需变成CO₂，H₂需变成H₂O（l），不是H₂O（g）!本题涉及的知识点较多，题目难度中等．