Question

【题目】空气中有丰富的氮气，科学家展开了向空气要氨气的系列研究。

（1）已知：2H2（g）＋O2（g）=2H2O（l） ΔH＝a kJ·mol－1

N2（g）＋O2（g） =2NO（g） ΔH＝b kJ·mol－1

4NH3（g）＋5O2（g） =4NO（g）＋6H2O（l） ΔH＝c kJ·mol－1

工业上合成氨反应N2（g）＋3H2（g） 2NH3（g） ΔH＝ _______ kJ·mol－1

（2）以悬浮的纳米Fe2O3作催化剂，H2O和N2为原料直接常压电化学合成氨方面取得了突破性进展。其工作原理如图所示：

①Ni电极处发生的总反应为： N2＋6e－＋6H2O=2NH3＋6OH－

已知该反应分为两步，其中第二步的反应为2Fe＋3H2O＋N2=2NH3＋Fe2O3，则第一步反应为 _______ 。

②蒙乃尔筛网处发生的电极反应为： _______ 。

（3）NH3可以合成尿素，反应为2NH3（g）＋CO2（g）CO（NH2）2（g）＋H2O（g）。向一体积可变的恒压容器中充入一定量的NH3和CO2，保持容器的温度不变，NH3和CO2的转化率随时间的变化如图所示。

①下列情况能说明反应达到平衡状态的是 _______ 。

A NH3和CO2的物质的量之比为2∶1

B 容器内气体的密度保持不变

C 2v正（NH3）＝v逆（CO2）

D 各气体的体积分数保持不变

②起始时NH3和CO2的物质的量之比为 _______ 。

③维持容器的温度和压强不变，向上述平衡后的容器中充入NH3（g）、CO（NH2）2（g）和H2O（g）各1 mol，则达到新平衡时NH3的体积分数为 _______ 。

Answer 1

【答案】（b＋ － ） Fe2O3＋6e－＋3H2O=2Fe＋6OH－ 4OH－－4e－=2H2O＋O2↑ BD 3∶1 52.94%

【解析】

(1)可根据盖斯定理由已知反应求得目标反应的焓变；

(2)观察其工作原理图可知，Ni电极变化为N2→NH3，发生还原反应，是阴极，则蒙乃尔筛网处是阳极，发生氧化反应。

(3)①反应达到平衡状态时，正逆反应速率相等，各组分的浓度保持不变及由此衍生的其他物理量进行分析；

②设起始时NH3和CO2的物质的量分别为n(NH3)、n(CO2)，反应消耗的CO2的物质的量为x，结合方程式列三段式，结合氨气、二氧化碳的转化率进行分析计算，求出n（NH3）:n（CO2）；

③维持容器的温度和压强不变，向上述平衡后的容器中充入NH3(g)、CO(NH2)2(g)和H2O(g)各1 mol，进行转化，通过把生成物全部转化为反应物后，可知转化后比值相等，与原平衡等效，则达到新平衡时NH3的体积分数与原平衡相同，所以，只需计算原平衡中NH3的体积分数即可。

(1)由已知：①2H2(g)+O2(g)=2H2O(l) ΔH＝a k·mol-1

②N2(g)+O2(g) =2NO(g) ΔH＝b k·mol-1

③4NH3(g)+5O2(g) =4NO(g)+6H2O(l) ΔH＝c k·mol-1

根据盖斯定理，可由①×+②-③×得反应：N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)，则ΔH＝ (b+ - )k·mol-1。答案为：(b+ - )

(2)①用总反应减第二步的反应得：Fe2O3+6e-+3H2O=2Fe+6OH-。答案为：Fe2O3+6e-+3H2O=2Fe+6OH-

②蒙乃尔筛网处是阳极，OH-放电，发生氧化反应：4OH--4e-=2H2O+O2↑。答案为：4OH--4e-=2H2O+O2↑

(3)①A. NH3和CO2的物质的量之比为2∶1时不一定达到平衡，A选项错误；

B. 反应体系条件为恒温恒压，平衡移动，气体物质的量变化，所以气体体积也变化，而体系气体质量不变，所以密度会随平衡的移动而变化，密度不变时反应达到平衡状态，B选项正确；

C. 由2v正(NH3)＝v逆(CO2)，得v正(NH3)：v逆(CO2)=1：2，不等于计量数之比，反应没有达到平衡状态，C选项错误；

D. 根据化学平衡状态的定义，平衡时各组分的百分含量保持不变，D选项正确；

答案为：BD

②设起始时NH3和CO2的物质的量分别为n(NH3)、n(CO2)，反应消耗的CO2的物质的量为x，则有：

，

解得：

答案为：3∶1

③维持容器的温度和压强不变，向上述平衡后的容器中充入NH3(g)、CO(NH2)2(g)和H2O(g)各1 mol，进行转化:

转化后比值相等，与原平衡等效，则达到新平衡时NH3的体积分数与原平衡相同，所以，只需计算原平衡中NH3的体积分数即可。

在②的计算中，n(NH3)=3n(CO2)，x=0.6 n(CO2)，则平衡时总物质的量为n(NH3)- 2x+ n(CO2)-x+ x + x = n(NH3)+ n(CO2)-x=3.4 n(CO2)，则达到新平衡时NH3的体积分数为：

答案为：52.94%