题目内容
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
(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=
.
(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:
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
(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
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 |
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.
(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:
mol/L
mol/L 0
转化:
mol/L
mol/L
mol/L
平衡:
mol/L
mol/L
mol/L
k=
=
,
故答案为:
;
(3)已知:①H2(g)+
O2(g)=H2O(l)△H=-285.8kJ?mol-1
②CO(g)+
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+.
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 |
3n |
V |
转化:
nx |
V |
3nx |
V |
2nx |
V |
平衡:
n(1-x) |
V |
3n(1-x) |
V |
2nx |
V |
k=
(
| ||||
(
|
4xV2 |
27n2(1-x)4 |
故答案为:
4xV2 |
27n2(1-x)4 |
(3)已知:①H2(g)+
1 |
2 |
②CO(g)+
1 |
2 |
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.
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