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合成氨生产技术的创立开辟了人工固氮的途径,对化学工业技术也产生了重大影响.合成氨反应的化学方程式为:N2(g)+3H2(g)3NH3(g)△H=-92.2kJ/mol.合成氨工业中原料气N2可从空气中分离得到,H2可用甲烷在高温下与水蒸气反应制得.我国合成氨工业目前的生产条件为:催化剂-铁触媒,温度-400~500℃,压强-30~50MPa.
回答下列问题:
(1)合成氨工业中原料气压缩到30~50MPa的原因是
加压有利于平衡正向移动,提高原料气的转化率
加压有利于平衡正向移动,提高原料气的转化率
.从平衡移动原理分析,低温有利于原料气的转化,实际生产中采用400~500℃的高温,原因之一是考虑到催化剂的催化活性,原因之二是
增加反应速率,缩短达到平衡的时间
增加反应速率,缩短达到平衡的时间

(2)500℃、50MPa时,在容积为VL的容器中加入n mol N2、3n mol H2,反应达平衡后测得平衡常数为K,此时N2的转化率为x.则K和x的关系满足K=
4xV2
27n2(1-x)4
4xV2
27n2(1-x)4

(3)甲烷在高温下与水蒸气反应反应方程式为:CH4(g)+H2O(g)=CO(g)+3H2(g).部分物质的燃烧热数据如下表:
物  质 燃烧热(kJ?mol-1
H2(g) -285.8
CO(g) -283.0
CH4(g) -890.3
已知1mol H2O(g)转变为1mol H2O(l)时放出44.0kJ热量.写出CH4和H2O在高温下反应的热化学方程式
CH4(g)+H2O(g)=CO(g)+3H2(g)△H=+206.1kJ?mol-1
CH4(g)+H2O(g)=CO(g)+3H2(g)△H=+206.1kJ?mol-1

(4)有人设想寻求合适的催化剂和电极材料,以N2、H2为电极反应物,以HCl-NH4Cl为电解质溶液制取新型燃料电池.请写出该电池的正极反应式
N2+6e-+8H+=2NH4+
N2+6e-+8H+=2NH4+
分析:(1)由外界条件对化学平衡以及化学反应速率的影响分析;
(2)计算平衡时各物质的浓度,进而计算平衡常数;
(3)根据燃烧热写出热化学方程式,利用盖斯定律计算;
(4)N2在正极发生还原反应生成NH4+,以此书写电极反应式.
解答:解:(1)合成氨反应的化学方程式为:N2(g)+3H2(g)2NH3(g)△H=-92.2kJ/mol,反应物气体的化学计量数大于生成物气体的化学计量数,则加压有利于平衡正向移动,提高原料气的转化率,升高温度虽然不利于平衡向正反应方向移动,但能增大反应速率,缩短达到平衡的时间.
故答案为:加压有利于平衡正向移动,提高原料气的转化率;增加反应速率,缩短达到平衡的时间;         
(2)N2(g)+3H2(g)2NH3(g)
起始:
n
V
mol/L   
3n
V
mol/L         0
转化:
nx
V
mol/L   
3nx
V
mol/L      
2nx
V
mol/L
平衡:
n(1-x)
V
mol/L
3n(1-x)
V
mol/L
2nx
V
mol/L
k=
(
2nx
V
)2
(
n(1-x)
V
)×(
3n(1-x)
V
)3
=
4xV2
27n2(1-x)4

故答案为:
4xV2
27n2(1-x)4

(3)已知:①H2(g)+
1
2
O2(g)=H2O(l)△H=-285.8kJ?mol-1
②CO(g)+
1
2
O2(g)=CO2(g) )△H=-283.0kJ?mol-1
③CH4(g)+2O2(g)=CO2(g)+2H2O(l))△H=-890.3kJ?mol-1
④H2O(g)=H2O(l)△H=-44.0kJ?mol-1
利用盖斯定律将④+③-②-3×①可得:CH4(g)+H2O(g)=CO(g)+3H2(g)
△H=(-44.0kJ?mol-1)+(-890.3kJ?mol-1)-(-283.0kJ?mol-1)-3×(-285.8kJ?mol-1)=+206.1 kJ?mol-1
故答案为:CH4(g)+H2O(g)=CO(g)+3H2(g)△H=+206.1 kJ?mol-1
(4)N2在正极发生还原反应生成NH4+,电极反应式为N2+6e-+8H+=2NH4+,故答案为:N2+6e-+8H+=2NH4+
点评:本题考查化学平衡的计算以及盖斯定律的应用,题目难度中等,解答本题时注意把握计算方法,平衡常数的计算以及电极方程式的书写是化学原理模块常考查内容.
练习册系列答案
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合成氨生产技术的创立开辟了人工固氮的途径,对化学工业技术也产生了重大影响.合成氨反应的化学方程式为N2(g)+3H2(g)?2NH3(g)△H=-92.2kJ?mol-1.合成氨工业中原料气N2可从空气中分离得到,H2可用甲烷或焦炭与水蒸气反应制得.

(1)在一容积固定的密闭容器中注入N2和H2两种气体,发生上述反应.在某温度下达到平衡时,各物质的浓度分别是:c(H2)=9.00mol?L-1,c(N2)=3.00mol?L-1,c(NH3)=4.00mol?L-1,此温度下该反应的平衡常数K=
7.32×10-3
7.32×10-3

(2)在三个相同容器中各充入1mol N2和3mol H2,在不同条件下反应并达到平衡,氨的体积分数随时间变化的曲线如图所示.下列说法中正确的是
D
D
(填字母,下同).
A.图Ⅰ可能是不同压强对反应的影响,且p2>p1
B.图Ⅱ可能是不同压强对反应的影响,且p1>p2
C.图Ⅲ可能是不同温度对反应的影响,且T1>T2
D.图Ⅱ可能是同温同压下不同催化剂对反应的影响,且催化剂性能1>2
(3)乙醇可通过淀粉等生物质原料发酵制得,属于可再生资源,通过乙醇制取氢气
具有良好的应用前景.已知通过乙醇制取氢气有如下两条路线:
a、CH3CH2OH(g)+H2O(g)?4H2(g)+2CO(g)△H=+255.58kJ/mol
b、CH3CH2OH(g)+1/2O2(g)?3H2(g)+2CO(g)△H=+13.76kJ/mol
下列说法错误的是:
D
D

A.从原料消耗的角度来看,a路线制氢更有价值
B.从能量消耗的角度来看,b路线制氢更加有利
C.a路线制氢由于要消耗很多能量,所以在实际生产中意义不大
D.降低温度,可提高b路线中乙醇的转化率.
合成氨生产技术的创立开辟了人工固氮的途径,对化学工业技术也产生了重大影响.合成氨反应的化学方程式为:N2(g)+3H2(g)2(((NH3(g)△H=-92.2kJ/mol.合成氨工业中原料气N2可从空气中分离得到,H2可用甲烷在高温下与水蒸气反应制得.

(1)在一容积固定的密闭容器中注入N2和H2两种气体,发生上述反应.在某温度下达到平衡时各物质的浓度分别为c(H2)=9.00mol/L,c(N2)=3.00mol/L,c(NH3)=4.00mol/L,此温度下该反应的平衡常数为
7.32×10-3
7.32×10-3

(2)三个相同容器中各充入1molN2和3molH2,在不同条件下反应并达到平衡,氨的体积分数随时间的变化如图所示.下列说法正确的是
D
D
(填序号).
A.图I可能是不同压强对反应的影响,且P2>P1
B.图Ⅱ可能是不同压强对反应的影响,且P1>P2
C.图Ⅲ可能是不同温度对反应的影响,且T1>T2
D.图Ⅱ一定是在同温同压下不同催化剂对反应的影响,且催化剂效果1>2
(3)将水蒸气通过红热的炭即产生水蒸气,化学方程式为:C(s)+H2O(g) H2(g)+CO(g)△H=+131.3kJ,△S=+133.7J/K该反应在低温下能否自发
(填:能或否).
(4)甲烷在高温下与水蒸气反应反应方程式为:CH4(g)+H2O(g)=CO(g)+3H2(g).部分物质的燃烧热数据如下表:
物  质 燃烧热(kJ?mol-1
H2(g) -285.8
CO(g) -283.0
CH4(g) -890.3
已知1mol H2O(g)转变为1mol H2O(l)时放出44.0kJ热量.写出CH4和H2O在高温下反应的热化学方程式
CH4(g)+H2O(g)=CO(g)+3H2(g)△H=+206.1kJ?mol-1
CH4(g)+H2O(g)=CO(g)+3H2(g)△H=+206.1kJ?mol-1

(5)有人设想寻求合适的催化剂和电极材料,以N2、H2为电极反应物,以HCl-NH4Cl为电解质溶液制取新型燃料电池.请写出该电池的正极反应式
N2+6e-+8H+=2NH4+
N2+6e-+8H+=2NH4+
合成氨生产技术的创立开辟了人工固氮的途径,对化学工业技术也产生了重大影响.合成氨反应的化学方程式为:N2(g)+3H2(g)?3NH3(g),△H=-92.2kJ/mol.合成氨工业中原料气N2可从空气中分离得到,H2可用甲烷在高温下与水蒸气反应制得.我国合成氨工业目前的生产条件为:催化剂-铁触媒,温度-400~500℃,压强-30~50MPa.回答下列问题:
(1)合成氨工业中原料气压缩到30~50MPa的原因是
加压有利于平衡正向移动,提高原料气的转化率
加压有利于平衡正向移动,提高原料气的转化率
.从平衡移动原理分析,低温有利于原料气的转化,实际生产中采用400~500℃的高温,原因之一是考虑到催化剂的催化活性,原因之二是
增加反应速率,缩短达到平衡的时间
增加反应速率,缩短达到平衡的时间

(2)500℃、50MPa时,在容积为VL的容器中加入n mol N2、3n mol H2,反应达平衡后测得平衡常数为K1,此时N2的转化率为x.则K和x的关系满足K=
4xV2
27n2(1-x)4
4xV2
27n2(1-x)4
.若温度为400℃,平衡常数为K2,则K1
K2(填“<”、“=”或“>”)
(3)甲烷在高温下与水蒸气反应反应方程式为:CH4(g)+H2O(g)=CO(g)+3H2(g).部分物质的燃烧热数据如下表:
物  质 燃烧热(kJ?mol-1
H2(g) -285.8
CO(g) -283.0
CH4(g) -890.3
已知1mol H2O(g)转变为1mol H2O(l)时放出44.0kJ热量.
①写出CO燃烧的热化学方程式
CO(g)+
1
2
O2(g)=CO2(g)△H=-283.0kJ?mol-1
CO(g)+
1
2
O2(g)=CO2(g)△H=-283.0kJ?mol-1

②2H2(g)+O2(g)═2H2O(g)△H=
-483.6
-483.6
kJ/mol.

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