Question

【题目】氨气在工农业生产和国防科技中有着重要应用，科研工作者对其进行着广泛研究。请回答:

(1)某课题组实现了在常温常压下，以氮气和液态水为原料制备氨气，同时有氧气生成。

已知，在一定温度和压强下，由最稳定的单质生成1mol纯物质的热效应，称为该物质的生成热(△H)。常温常压下、相关物质的生成热如下表所示：

物质	NH3(g)	H2O(l)
△H /kJ·mol-1	-46	-242

上述合成氨反应的热化学方程式为______________________________________。

(2)利用生物电池，以H2、N2为原料合成氨的装置如下图所示。

Q、R均为能化剂，据图示判断，负极反应的催化剂为______(填“Q”或“R”)；正极的电极反应式为_________________________________________。

(3)氨气是工业制硝酸的主要原料之一，催化氧化步骤中发生的主要反应如下：

I. 4NH3（g）+5O2（g）4NO（g）+6H2O（g）△H=-906kJ/mol

II.4NH3（g）+3O2（g）2N2（g）+6H2O（g）△H=-1266kJ/mol

将固定比例NH3和O2 的混合气体以一定流速通过填充有催化剂的反应器，反应产率与温度的关系如图1所示。

①催化氧化步骤中，最适宜的温度为_________________(填“T1”或“T2”)。

②低于T1℃时，NO的产率较低的原因为_____________________________________。

③高于T2℃时，NO的产率降低的可能原因为______________(填选项字母)

A.催化剂活性降低 B.平衡常数减小

C.反应活化能增大 D.氨气溶于水

④T2℃(T1>T2)时，向20L恒容密闭容器中充人2molNH3和2.75molO2，发生反应

I.反应过程中各物质的物质的量的随时间(t)变化关系如图2所示。

T2℃时，该反应的平衡常数K=________________；5min时，改变了某一外界条件，所改变的条件可能为_________________________________________。

Answer 1

【答案】 2N2(g)＋6H2O(l)3O2(g)＋4NH3(g) ΔH＝＋1268 kJ·mol－1 Q N2＋6H＋＋6e－＝2NH3 T2 温度较低时，反应速率慢，同时部分反应物生成N2 AB 0.075 升高温度或缩小容器容积

【解析】（1）考查热化学反应方程式的书写，N2与H2O之间的反应是2N2＋6H2O=3O2=4NH3，N2(g)＋3H2(g)=2NH3(g)，此时热效应是(－46×2)kJ·mol－1，2H2(g)＋O2(g)=2H2O(l)，此时的热效应是(－242×6)kJ·mol－1，两式变形得到此方法合成氨的热化学反应方程式为2N2(g)＋6H2O(l)3O2(g)＋4NH3(g) △H=[－46×4－(－242×6)]kJ·mol－1=＋1268kJ·mol－1，即为2N2(g)＋6H2O(l)3O2(g)＋4NH3(g) ΔH＝＋1268 kJ·mol－1；（2）考查原电池工作原理和电极反应式的书写，根据原电池工作原理，负极上失去电子，化合价升高，因此通氢气一极为负极，根据装置图，Q为催化剂；通氮气一极为正极，根据工作原理，正极反应式为N2＋6H＋＋6e－＝2NH3；（3）考查化学反应条件的控制、化学平衡常数的计算、勒夏特列原理，①制取硝酸，NH3与氧气反应生成NO，NO与O2反应生成NO2，NO2与水反应生成HNO3，T2时NO的产率最高，因此最适宜的温度是T2；②低于T1℃时，反应速率慢，同时部分反应物转化成N2，造成NO的产率降低；③A、催化剂活性受温度影响，在一定温度时，催化剂催化效率最高，超过此温度，降低催化剂的催化效率，故A正确；B、根据反应方程式，生成NO的反应是放热反应，升高温度，平衡向逆反应方向移动，平衡常数减小，故B正确；C、活化能的大小不影响平衡的移动，故C错误；D、 这里的水为气态水，故D错误；④根据图2，4min时达到平衡，c(NH3)=c(NO)=1/20mol·L－1，c(O2)=c(H2O)=1.5/20mol·L－1，根据化学平衡常数的表达式，K==0.075；根据NH3和O2的物质的量减小，NO和H2O的物质的量增大，说明改变的这一因素，平衡向逆反应方向移动，即升高温度或缩小容器的容积。