Question

【题目】氨气及含氮化合物在化工生产和国防工业中具有广泛应用。请回答：

（1）已知：(i)氢气的燃烧热为286.0 kJ·mol-1

(ii)4NH3(g)+3O2(g)2N2(g)+6H2O (l) ΔH=- 1530.6 kJ·mol-1。

合成氨反应的热化学方程式为_____________________________。

（2）恒温恒容条件下，起始按物质的量之比为1∶1向密闭容器中充入N2(g)和H2(g)，发生合成氨的反应。达平衡后，N2(g)的体积分数为_______________；然后只降低温度，N2(g)的体积分数会_________（填选项字母）。

A.增大 B.减小 C.不变 D.不能判断

（3）T℃时，CO2(g)和NH3(g)合成尿素的原理为2NH3(g)+CO2(g)CO(NH2)2(s)+H2O(1)。在2 L恒容密闭容器中，通入1.2 mol NH3(g)和0.6 mol CO2(g)，2 min时反应恰好达到平衡，测得c(NH3)=0.2 mol·L-1。

①0~2min内，用NH3表示的反应速率υ(NH3)=___________；反应的平衡常数K=____________。

②若其他条件不变，2 min时将容器体积迅速压缩到1L，在3 min时重新达到平衡，请在图1中画出2~3 min内c(NH3)随时间(t)变化的曲线关系图。

（4）碱性氨气燃料电池的装置如图2 所示，写出负极的电极反应式____________________。当电路中每通过3.6 mol e-，则需要标况下空气的体积________________L。

Answer 1

【答案】 N2(g)+3H2(g)2NH3(g) △H=-92.7 kJmol-1 50% C 0.2 mol·L-1·min-1 250 2NH3-6e-+6OH-=N2+6H2O 100.8

【解析】（1）根据H2的燃烧热写出H2燃烧的热化学方程式，再用盖斯定律。

（2）用三段式计算平衡后N2（g）的体积分数。降低温度，平衡向正反应方向移动，N2（g）物质的量减小，气体总物质的量也减小，结合计算判断N2（g）的体积分数。

（3）①根据化学反应速率的含义计算υ（NH3）。用三段式和化学平衡常数表达式计算K。

②其他条件不变时，将容器体积迅速压缩到1L，NH3（g）、CO2（g）迅速增大到平衡时的两倍；增大压强平衡向正反应方向移动，NH3（g）、CO2（g）浓度又减小，再依据化学平衡常数计算3min平衡时c（NH3）。

（4）根据装置图中电子的流向，通入NH3的一极为负极，通入O2的一极为正极；NH3失电子被氧化成N2，结合碱性条件、原子守恒和电荷守恒写电极反应式，根据电极反应式计算消耗标准状况下空气的体积。

（1）氢气的燃烧热为286.0kJ/mol，H2燃烧的热化学方程式为H2（g）+O2（g）=H2O（l）ΔH=-286.0kJ/mol（i）

4NH3（g）+3O2（g）2N2（g）+6H2O（l） ΔH=- 1530.6 kJ/mol（ii）

应用盖斯定律，将[（i）6-（ii）]2得，N2（g）+3H2（g）2NH3（g）ΔH=[（-286.0kJ/mol）6-（-1530.6kJ/mol）]2=-92.7kJ/mol，合成氨反应的热化学方程式为N2（g）+3H2（g）2NH3（g）ΔH=-92.7kJ/mol。

（2）设起始N2、H2物质的量都为amol，从起始到平衡过程中转化N2物质的量为xmol，用三段式

N2（g）+3H2（g）2NH3（g）

n（起始）（mol） a a 0

n（转化）（mol） x 3x 2x

n（平衡）（mol）a-x a-3x 2x

达平衡后，N2（g）的体积分数为100%=100%=50%。

降低温度，平衡向正反应方向移动，N2（g）物质的量减小，气体总物质的量也减小，根据上述计算，N2（g）的体积分数与a、x无关，恒为50%，即N2（g）的体积分数不变，答案选C。

（3）①υ（NH3）===0.2mol/（L·min）。用三段式

2NH3（g）+CO2（g）CO（NH2）2（s）+H2O（l）

c（起始）（mol/L） 0.6 0.3

c（转化）（mol/L） 0.4 0.2

c（平衡）（mol/L） 0.2 0.1

反应的平衡常数K===250。

②其他条件不变时，将容器体积迅速压缩到1L，NH3（g）、CO2（g）迅速增大到平衡时的两倍，瞬时NH3（g）、CO2（g）的浓度依次为0.4mol/L、0.2mol/L；增大压强平衡向正反应方向移动，NH3（g）、CO2（g）浓度又减小，设3min平衡时c（NH3）=ymol/L，用三段式

2NH3（g）+CO2（g）CO（NH2）2（s）+H2O（l）

2min体积压缩至1L时（mol/L） 0.4 0.2

2~3min内c（转化）（mol/L） 0.4-y

3min时c（平衡）（mol/L） y

温度不变，化学平衡常数不变，K===250，解得y=0.2。作图要点：2min时c（NH3）为0.4mol/L，2~3min内c（NH3）逐渐减小，3min时达到平衡c（NH3）=0.2mol/L。

（4）根据装置图中电子的流向，通入NH3的一极为负极，通入O2的一极为正极，NH3失电子生成N2，2molNH3失去6mol电子生成1molN2，结合碱性条件、原子守恒和电荷守恒，负极电极反应式为2NH3-6e-+6OH-=N2+6H2O。正极电极反应式为O2+4e-+2H2O=4OH-，当电路中通过3.6mole-时，消耗O2物质的量为0.9mol，消耗标准状况下O2的体积为0.9mol22.4L/mol=20.16L，需要标准状况下空气的体积为20.16L0.2=100.8L。