Question

合成氨是人类研究的重要课题，目前工业合成氨的原理为：
N₂（g）+3H₂（g）

催化剂   .

高温高压

2NH₃（g）△H=-93.0kJ?mol^-1，在3个2L的密闭容器中，使用相同的催化剂，按不同方式投入反应物，分别进行反应：
相持恒温、恒容，测的反应达到平衡时关系数据如下：

容器	甲	乙	丙
反应物投入量	3mol H2、2mol N2	6mol H2、4mol N2	2mol NH3
达到平衡的时间/min		6	8
平衡时N2的体积密度	C1	1.5
混合气体密度/g?L-1	ρ1	ρ2
平衡常数/L2?mol-2	K甲	K乙	K丙

（1）下列各项能说明该反应已到达平衡状态的是

 

（填写序号字母）
a．容器内H₂、N₂、NH₃的浓度只比为1：3：2
b．容器内压强保持不变
c．v（N₂）_正=3v（H₂）_速
d．混合气体的密度保持不变
e．混合气体的平均相对分子质量不变
（2）容器乙中反应从开始到达平衡的反应速度为v（H₂）=

 

（3）在该温度下甲容器中反应的平衡常数K=

 

（用含C₁的代数式表示）
（4）分析上表数据，下列关系正确的是

 

（填序号）：
a.2c₁＜1.5mol/L    b．?₃=?₁ c.2ρ₁=ρ₂ d．K_乙＞K_甲=K_丙
（5）另据报道，常温、常压下，N₂在掺有少量氧化铁的二氧化钛催化剂表面能与水发生反应，生成NH₃和O₂．已知：H₂的燃烧热△H=-286kJ/mol，则由次原理制NH₃反应的热化学方程式为

 

（6）希腊阿里斯多德大学的George Mamellos和Michacl Stoukides，发明了一种合成氨的新方法，在常压下，把氢气和用氨气稀释的氮气分别通入一个加热到570℃的电解池，李勇能通过的氢离子的多孔陶瓷固体作电解质，氢气和氮气在电极上合成了氨，转化率达到78%，在电解法合成氨的过程中，应将H₂不断地通入

 

极，该电极反应式为

 

．

Answer 1

考点：化学平衡状态的判断,热化学方程式,反应速率的定量表示方法,化学平衡常数的含义,等效平衡,电解原理

专题：基本概念与基本理论

分析：（1）达到平衡状态时，正逆反应速率相等，各物质的浓度不变，以此判断；
（2）先计算出用氮气表示的反应速率，然后利用化学计量数关系计算出用氢气表示的反应速率；
（3）化学平衡常数是平衡时各生成物浓度的化学计量数次幂的乘积除以各反应物浓度的化学计量数次幂的乘积所得的比值；
（4）先将丙中的数据按照化学计量数转化成反应物氮气、氢气的物质的量，然后利用等效平衡知识进行分析；
（5）依据题干中合成氨的热化学方程式及氢气的燃烧热的热化学方程式H₂（g）+

1

2

O₂（g）=H₂O（l）△H=-285.6KJ/mol，结合盖斯定律计算得到所需热化学方程式；
（6）根据电解池反应原理判断氢气、氮气应该通入的电极，在阳极上，氢气失电子发生氧化反应，阴极上氮气得到电子发生还原反应，据此写出氮气发生的电极反应式．

解答： 解：（1）a．容器内N₂、H₂、NH₃的浓度之比为1：3：2，不能说明达到判断状态，取决于起始配料比和转化程度，故a错误；
b．容器内压强保持不变，可说明达到平衡状态，故b正确；
c．当3v（N₂）_正=v（H₂）_逆时，正逆反应速率相等，而v（N₂）_正=3v（H₂）_速，正逆反应速率不相等，没有达到平衡状态，故c错误；
d．恒容时体积不变，质量不变，则混合气体的密度保持不变，不能达到平衡状态，故d错误；
e．该反应为气体体积缩小的反应，反应两边都是气体，所以反应过程中气体的平均分子量为变量，当混合气体的平均相对分子质量不变时，说明正逆反应速率相等，达到平衡状态，故e正确；
故答案为：be；
（2）容器乙中，反应前氮气的浓度为：

4mol

2L

=2mol/L，达到平衡时氮气的浓度为：1.5mol/L，氮气的浓度变化为：2mol/L-1.5mol/L=0.5mol/L，根据反应方程式中，反应消耗氢气的浓度为：0.5mol/L×3=1.5mol/L，容器乙中反应从开始到达平衡的反应速度为：v（H₂）=

1.5mol/L

6min

=0.25mol?L^-1?min^-1，
故答案为：0.25mol?L^-1?min^-1；
（3）在该温度下甲容器中达到平衡时氮气的物质的量浓度为C₁，反应前氮气的浓度为1mol/L，氮气的浓度变化为（1-C₁）mol/L，则达到平衡时生成氨气的浓度为：2（1-C₁）mol/L，氢气的浓度为：

3mol

2L

-3（1-C₁）mol/L=（3C₁-1.5）mol/L，在该温度下甲容器中反应的平衡常数K=

c2(NH3)

c(N2)?c3(H2)

=

[2(1-C1)]2

C1?(3C1-1.5)3

=

4(1-C1)2

C1(3C1-1.5)3

，
故答案为：

4(1-C1)2

C1(3C1-1.5)3

；
（4）a．假设乙容器的容积为4L，则达到平衡时甲乙为等效平衡，各组分的含量、浓度相等，此时氮气的浓度为c₁，然后将容器的容积缩小到2L，若平衡不移动，2c₁=1.5mol/L，由于压强增大，平衡向着正向移动，氨气的浓度增大，所以2c₁＞1.5mol/L，故a错误；    
b．丙中2mol氨气相当于加入了1mol氮气、3mol氢气，而甲中为3mol H₂、2mol N₂，由于丙反应物氮气的物质的量减小，生成的氨气的物质的量减小，所以ω₃＜ω₁，故b错误；
c．反应前后都是气体，容器的容积都是2L，乙中混合气体的质量为甲的2倍，根据

m

V

可知：2ρ₁=ρ₂，故c正确；
d．因为温度相同，故K_甲=K_乙=K_丙，故d错误；
故答案为：c；
（5）热化学方程式①N₂（g）+3H₂（g）

催化剂

高温高压

2NH₃（g）△H=-93.0kJ?mol^-1，书写氢气的燃烧热的热化学方程式为②H₂（g）+

1

2

O₂（g）=H₂O（l）△H=-285.6KJ/mol，结合盖斯定律计算[①-②×3]×2得到所需热化学方程式；2 N₂（g）+6 H₂O （l）=4 NH₃（g）+3 O₂ （g）△H=+1530 kJ?mol^-1；
故答案为：2N₂（g）+6H₂O（l）=4NH₃（g）+3O₂（g）△H=+1530 kJ?mol^-1；
（6）电解池的阳极发生氧化反应，阴极发生还原反应，所以氢气不断通入阳极；阴极通入氮气得到电子结合氢离子反应生成氨气，电极反应为：N₂+6H⁺+6e^-=2NH₃，
故答案为：阴；N₂+6 H⁺+6e^-=2NH₃．

点评：本题考查了化学平衡状态的判断、化学反应速率的影响因素判断、化学反应速率、化学平衡常数的计算等知识，题目难度较大，试题涉及的题量较大，知识点较多，注意掌握化学平衡的影响因素、化学反应速率的计算方法，能够利用盖斯定律求算反应中的焓变．