Question

工业合成氨与制备硝酸一般可连续生产，流程如图：

（1）工业生产时，制取氢气的一个反应为：CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）．t℃时，往10L密闭容器中充入2mol CO和3mol水蒸气．反应建立平衡后，体系中c（H₂）=0.12mol?L^-1．则该温度下此反应的平衡常数K=

 

（填计算结果）．
（2）合成塔中发生反应N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H＜0．下表为不同温度下该反应的平衡常数．由此可推知，表中T₁

 

300℃（填“＞”、“＜”或“=”）．

T/℃	T1	300	T2
K	1.00×107	2.45×105	1.88×103

（3）氨气在纯氧中燃烧生成一种单质和水，科学家利用此原理，设计成“氨气-氧气”燃料电池，则通入氨气的电极是

 

（填“正极”或“负极”）；碱性条件下，该电极发生反应的电极反应式为

 

．
（4）用氨气氧化可以生产硝酸，但尾气中的NO_x会污染空气．目前科学家探索利用燃料气体中的甲烷等将氮的氧化物还原为氮气和水，反应机理为：
CH₄（g）+4NO₂（g）═4NO（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-574kJ?mol^-1
CH₄（g）+4NO（g）═2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-1160kJ?mol^-1
则甲烷直接将NO₂还原为N₂的热化学方程式为

 

．
（5）某研究小组在实验室以“Ag-ZSM-5”为催化剂，测得将NO转化为N₂的转化率随温度变化情况如下图．据图分析，若不使用CO，温度超过775℃，发现NO的转化率降低，其可能的原因为

 

；在

n(NO)

n(CO)

=1的条件下，应控制的最佳温度在

 

左右．

Answer 1

分析：（1）根据平衡常数表达式以及各种物质的浓度知识来回答；
（2）温度和平衡常数间的关系取决于平衡受温度的影响情况；
（3）在燃料电池中，燃料做负极发生氧化反应，则通入氨气的电极是负极，碱性条件下，该电极发生反应的电极反应式为2NH₃-6e-+6OH^-→N₂+6H₂O；
（4）根据盖斯定律来计算反应的焓变，进而书写热化学方程式；
（5）升高温度，发现NO的分解率降低，说明反应向逆反应方向进行，该反应放热．

解答：解：（1）根据题意：CO+H₂O（g）?CO₂ +H₂
        初始浓度：0.2     0.3      0      0
        变化浓度：0.12    0.12    0.12     0.12
    平衡时的浓度：0.08    0.18    0.12    0.12
则K=

0.12×0.12

0.08×0.18

=1，
故答案为：1；
（2）对于放热反应，温度越高，则化学平衡逆向移动，导致平衡常数减小，所以T₁＜300℃，故答案为：＜；
（3）在燃料电池中，燃料做负极，则通入氨气的电极是负极，碱性条件下，该电极发生反应的电极反应式为2NH₃-6e-+6OH^-→N₂+6H₂O，
故答案为：负极；2NH₃-6e-+6OH^-→N₂+6H₂O．
（4）已知CH₄（g）+4NO₂（g）═4NO（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-574kJ?mol^-1-------①
CH₄（g）+4NO（g）═2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-1160kJ?mol^-1--------②
根据盖斯定律反应CH₄（g）+2NO₂（g）═N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）可以由

①+②

2

得到，所以△H=

-574-1160

2

kJ?mol^-1=-867kJ?mol^-1，
故答案为：CH₄（g）+2NO₂（g）═N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-867kJ?mol^-1；
（5）升高温度，发现NO的分解率降低，说明反应向逆反应方向进行，该反应放热；由图可知，在

n(NO)

n(CO)

=1的条件下，870K时，NO还原为N₂的转化率为100%，
故答案为：该反应是放热反应，升高温度反应更有利于平衡向逆（左）方向移动，NO转化率降低；870K．

点评：本题是一道工业合成氨的综合性知识题目，可以根据所学知识进行回答，难度较大．