Question

12．人工固氮是指将氮元素由游离态转化为化合态的过程．
Ⅰ．最近一些科学家研究采用高质子导电性的SCY陶瓷（能传递H⁺）实验氮的固定---电解法合成氨，大大提高了氮气和氢气的转化率．总反应式为：N₂+3H₂$?_{一定条件}^{SCT陶瓷}$2NH₃．则在电解法合成氨的过程中，应将H₂不断地通入阳极（填“阴”或“阳”）；向另一电极通入N₂，该电极的反应式为N₂+6H⁺+6e^-=2NH₃．
Ⅱ．据报道，在一定条件下，N₂在掺有少量氧化铁的二氧化钛催化剂表面能与水发生反应，主要产物为NH₃，相应的反应方程式为：2N₂（g）+6H₂O（g）═4NH₃（g）+3O₂（g）△H=Q
（1）上述反应的平衡常数表达式为$\frac{{c}^{4}（N{H}_{3}）×{c}^{3}（{O}_{2}）}{{c}^{2}（{N}_{2}）×{c}^{2}（{H}_{2}O）}$．
（2）取五份等体积N₂和H₂O的混合气体（物质的量之比均为1：3），分别加入体积相同的恒容密闭容器中，在温度不相同的情况下发生反应，反应相同时间后，测得氮气的体积分数φ（N₂）与反应温度T的关系曲线如图1所示，则上述反应的Q＞0（填“＞”、“＜”或“=”）．
（3）若上述反应在有催化剂的情况下发生，则如图2所示的a、b、c、d四条曲线中，能表示反应体系能量变化的是d（填字母代号），图中△H绝对值为1530kJ•mol^-1．
Ⅲ．目前工业合成氨的原理是：N₂（g）+3H₂（g）═2NH₃（g）△H=-93.0KJ/mol．
回答下列问题：
（1）结合II中的数据，则2H₂（g）+O₂（g）=2H₂O（g） 的△H=-572KJ/mol．
（2）在一定温度下，将1molN₂和3mol H₂混合置于体积不变的密闭容器中发生反应，达到平衡状态时，测得气体总物质的量为2.8mol．
①达平衡时，H₂的转化率a₁=60%．
②在相同条件下，若起始时只将NH₃置于该容器中，达到平衡状态时NH₃的转化率为a₂，当a₁+a₂=1时，则起始时NH₃的物质的量n（NH₃）2mol．

Answer 1

分析 Ⅰ．在电解法合成氨的过程中，氢气发生氧化反应，应在阳极通入，氮气发生还原反应，在阴极通入，阴极上是氮获得电子，与质子结合生成氨气；
Ⅱ．（1）平衡常数为生成物平衡浓度化学计量数幂乘积与反应物平衡浓度化学计量数幂乘积的比；
（2）开始未到达平衡，氮气体积分数最大时到达平衡状态，而后升高温度，氮气的体积分数减小，说明升高温度平衡正向移动，则正反应为吸热反应；
（3）正反应为吸热反应，则反应物总能量小于生成物总能量，使用催化剂降低活化能，而反应热只与始态、终态有关，催化剂不影响反应热；
Ⅲ．（1）①2N₂（g）+6H₂O（g）?4NH₃（g）+3O₂（g）△H═+1530kJ/mol，
②N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H═-93.0kJ/mol
根据盖斯定律计算，（②×2-①）÷3得到：2H₂（g）+O₂（g）═2H₂O（g），焓变也进行相应计算；
（2）①在一定温度下，将1molN₂和3mol H₂混合置于体积不变的密闭容器中发生反应，达到平衡状态时，测得气体总物质的量为2.8mol，设参加反应的氮气为xmol，则：
             N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）
起始量（mol）：1      3         0
变化量（mol）：x      3x        2x
平衡量（mol）：1-x    3-3x      2x
再根据平衡时总物质的量列方程计算解答；
②在相同条件下，若起始时只将NH₃置于该容器中，达到平衡状态时NH₃的转化率为a₂，当a₁+a₂=1时，则与原平衡为等效平衡，完全转化到左边满足1molN₂和3mol H₂．

解答 解：Ⅰ．在电解法合成氨的过程中，氢气发生氧化反应，应在阳极通入，氮气发生还原反应，在阴极通入，阴极上是氮获得电子，与质子结合生成氨气，阴极电极反应式为：N₂+6H⁺+6e^-=2NH₃，
故答案为：阳；N₂+6H⁺+6e^-=2NH₃；
Ⅱ．（1）2N₂（g）+6H₂O（g）?4NH₃（g）+3O₂（g）的平衡常数表达式K=$\frac{{c}^{4}（N{H}_{3}）×{c}^{3}（{O}_{2}）}{{c}^{2}（{N}_{2}）×{c}^{2}（{H}_{2}O）}$，故答案为：$\frac{{c}^{4}（N{H}_{3}）×{c}^{3}（{O}_{2}）}{{c}^{2}（{N}_{2}）×{c}^{2}（{H}_{2}O）}$；
（2）开始未到达平衡，氮气体积分数最大时到达平衡状态，而后升高温度，氮气的体积分数减小，说明升高温度平衡正向移动，则正反应为吸热反应，则△H＞0，
故答案为：＞；
（3）正反应为吸热反应，则反应物总能量小于生成物总能量，使用催化剂降低活化能，而反应热只与始态、终态有关，催化剂不影响反应热，图中曲线d符合，
故答案为：d；
Ⅲ．（1）①2N₂（g）+6H₂O（g）?4NH₃（g）+3O₂（g）△H═+1530kJ/mol，
②N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H═-93.0kJ/mol
根据盖斯定律计算，（②×2-①）÷3得到：2H₂（g）+O₂（g）═2H₂O（g）△H═-572KJ/mol；
故答案为：-572KJ/mol；
（2）①在一定温度下，将1molN₂和3mol H₂混合置于体积不变的密闭容器中发生反应，达到平衡状态时，测得气体总物质的量为2.8mol，设参加反应的氮气为xmol，则：
              N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）
起始量（mol）：1       3         0
变化量（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，故氢气的转化率为$\frac{1.8mol}{3mol}$×100%=60%，
故答案为：60%；
②在相同条件下，若起始时只将NH₃置于该容器中，达到平衡状态时NH₃的转化率为a₂，当a₁+a₂=1时，则与原平衡为等效平衡，完全转化到左边满足1molN₂和3mol H₂，则n（NH₃）=2mol，
故答案为：2．

点评 本题考查化学平衡计算与影响因素、电解原理应用、等效平衡等，Ⅲ中（3）注意理解等效平衡规律，难度中等．