Question

氨与硝酸在工农业生产中均有重要的用途．某小组根据工业生产原理设计了生产氨与硝酸的主要过程如下：
（1）以N₂和H₂为原料合成氨气．反应N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H＜0
①一定温度下，在密闭容器中充入1mol N₂和3mol H₂发生反应．若容器容积恒定，达到平衡状态时，气体的总物质的量是原来的

15

16

，则N₂的转化率α=

 

；若此时放出热量为a KJ，则其热化学方程式为

 

．
②氨气溶于水则为氨水．已知NH₃?H₂O的电离平衡常数为Kb，计算0.1mol/L的NH₃?H₂O溶液中c（OH^-）=

 

mol/L（设平衡时NH₃?H₂O的浓度约为0.1mol/L，用含有Kb的代数式表示）．
③合成氨的原料气H₂可来自CH₄的综合利用：CH₄+H₂O═CO+3H₂．将CH₄设计成燃料电池，其利用率更高，装置示意如图一（A、B为多孔性石墨棒）．持续通入甲烷，在标准状况下，消耗甲烷体积VL．44.8L＜V≤89.6L时，负极电极反应为

 

．

（2）以氨气、空气为主要原料先进行氨的催化氧化，然后制得硝酸．
①其中NO在容积恒定的密闭容器中进行反应：2NO（g）+O₂（g）?2NO₂（g）△H＞0
该反应的反应速率（v）随时间（t）变化的关系如图二所示．若t₂、t₄时刻只改变一个条件，下列说法正确的是（填选项序号）

 

．
a．在t₁～t₂时，可依据容器内气体的密度保持不变判断反应已达到平衡状态
b．在t₂时，采取的措施可以是升高温度
c．在t₃～t₄时与在t₁～t₂时的平衡常数K肯定相同
d．在t₅时，容器内NO₂的体积分数是整个过程中的最大值
②实际上，生成的NO₂会聚合生成N₂O₄．如果在一密闭容器中，17℃、1.01×10⁵Pa条件下，2NO₂（g）?N₂O₄（g）△H＜0的平衡常数K=13.3．若改变上述体系的某个条件，达到新的平衡后，测得混合气体中c（NO₂）=0.04mol/L，c（N₂O₄）=0.007mol/L，则改变的条件是

 

．
③硝酸厂常用如下方法处理尾气用Na₂CO₃溶液吸收NO₂生成CO₂．若每9.2g NO₂和Na₂CO₃溶液反应时转移电子数为0.1mol，则反应的离子方程式是

 

．

Answer 1

考点：反应热和焓变,原电池和电解池的工作原理,化学平衡建立的过程,化学平衡状态的判断

专题：基本概念与基本理论

分析：（1）①依据化学平衡三段式列式计算得到；求出反应的△H，写出热化学方程式；
②c（NH₄⁺）=c（OH^-），据Kb表达式和平衡时NH₃?H₂O的浓度可以求得；
③n（KOH）=2mol/L×2L=4mol，可能先后发生反应①CH₄+2O₂→CO₂+2H₂O、②CO₂+2KOH=K₂CO₃+H₂O、③K₂CO₃+CO₂+H₂O=2KHCO₃；根据甲烷的量计算生成的二氧化碳的量，结合反应方程式判断反应产物及发生的反应；
（2）①2NO（g）+O₂（g）?2NO₂（g））△H＞0．反应是气体体积减小的吸热反应；
a、反应中气体质量守恒，体积不变，过程中密度不变；
b、反应是吸热反应升温正逆反应速率增大，平衡正向进行；
c、K受温度影响；
d、依据图象分析容器内NO₂的体积分数在t₃～t₄时最大；
②改变上述体系的某个条件，达到新的平衡后，根据c（NO₂）和c（N₂O₄）求出K值，K减小，说明升高了温度，平衡逆向移动；
③根据n=

m

M

计算NO₂的物质的量，反应中只有NO₂中N元素化合价发生变化，发生歧化反应，有生成NO₃^-，根据注意电子数计算生成NO₃^-的物质的量，再根据电子转移守恒计算N元素在还原产物中的化合价，判断还原产物，据此书写．

解答： 解：①压强之比等于物质的量之比，达到平衡状态时，容器内的压强是原来的

15

16

，则减少的物质的量为（1+3）mol×（1-

15

16

）=

1

4

mol，则：
N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g） 物质的量减少△n
1                                     2
n（N₂）                               

1

4

故n（N₂）=

1

8

mol，所以氮气的转化率=

1 8

1

×100%=12.5%；

1

8

mol氮气反应放热aKJ，则1mol氮气反应放热8aKJ，所以热化学方程式为：N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H=-8aKJ/mol，
故答案为：12.5%；N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H=-8aKJ/mol；
②据NH₃?H₂O的电离方程式可知，c（NH₄⁺）=c（OH^-），已知NH₃?H₂O的浓度约为0.1mol/L，Kb=

c(NH4+)?c(OH-)，

c(NH3?H2O)

=

[c(OH-)]2

0.1

，可得：c（OH^-）=

0.1Kb

，故答案为：

0.1Kb

；
③n（KOH）=2mol/L×2L=4mol，可能先后发生反应①CH₄+2O₂→CO₂+2H₂O、②CO₂+2KOH=K₂CO₃+H₂O、③K₂CO₃+CO₂+H₂O=2KHCO₃；
当0＜V≤44.8 L时，0＜n（CH₄）≤2mol，则0＜n（CO₂）≤2mol，只发生反应①②，且KOH过量，则电池总反应式为CH₄+2O₂+2KOH=K₂CO₃+3H₂O，
当44.8 L＜V≤89.6 L，2mol＜n（CH₄）≤4mol，则2mol＜n（CO₂）≤4mol，发生反应①②③，得到K₂CO₃和KHCO₃溶液，则负极反应式为CH₄-8e^-+9CO₃^2-+3H₂O=10HCO₃^-，
故答案为：CH₄-8e^-+9CO₃^2-+3H₂O=10HCO₃^-；
（2）①2NO（g）+O₂（g）?2NO₂（g））△H＞0．反应是气体体积减小的吸热反应；
a、反应中气体质量守恒，体积不变，过程中密度不变，所以，密度不变不能说明反应达到平衡状态，故a错误；
b、反应是吸热反应，升温正逆反应速率都增大，平衡正向进行，故b正确；
c、t₂时升高了温度，K增大，所以在t₃～t₄时与在t₁～t₂时的平衡常数K不同，故c错误；
d、t₂时升高了温度，平衡正向移动，t₄时减小了生成物浓度，平衡正向移动，反应物浓度相应减小，所以，容器内NO₂的体积分数在t₃～t₄时最大，故d错误；
故选：b；
②改变上述体系的某个条件，达到新的平衡后，根据c（NO₂）和c（N₂O₄）求出K=4.375，K减小，说明升高了温度，平衡逆向移动，故答案为：升高温度．
③9.2gNO₂的物质的量=

9.2

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=0.2mol，反应中只有NO₂中N元素化合价发生变化，发生歧化反应，有生成NO₃^-，
0.2mol二氧化氮转移电子的物质的量是0.1mol，故生成的NO₃^-的物质的量为

0.1mol

5-4

=0.1mol，故被还原的氮原子物质的量为0.2mol-0.1mol=0.1mol，令N元素在还原产物中的化合价为x价，则0.1mol×（4-x）=0.1mol，解得x=+3，故还原产物为NO₂^-，且生成的NO₃^-和NO₂^-物质的量之比为1：1，同时反应生成CO₂，故二氧化氮和碳酸钠溶液反应的离子反应方程式为：2NO₂+CO₃^2-=NO₃^-+NO₂^-+CO₂，故答案为：2NO₂+CO₃^2-=NO₃^-+NO₂^-+CO₂．

点评：本题考查范围广、考查知识点跨度大，包含了转化率、热化学方程式书写、弱电解质的电离平衡常数、燃料电池电极反应式书写、影响化学反应速率和平衡移动的条件、温度是影响化学平衡常数的唯一因素、离子方程式书写等等，题目难度较大．