Question

7．氨气在工业上有广泛用途．请回答以下问题：
（1）工业上利用N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H＜0合成氨，某小组为了探究外界条件对该反应的影响，以c₀mol/L H₂参加合成氨反应，在a、b两种条件下分别达到平衡，如图A．
①相对a而言，b可能改变的条件是增大c（N₂），判断的理由是a、b起始浓度相同，b到达平衡的时间缩短且氢气的转化率增大．
②a条件下，0～t₀的平均反应速率v（N₂）=$\frac{{c}_{0}-{c}_{1}}{300{t}_{0}}$mol•L^-1•min^-1．
（2）有人利用NH₃和NO₂构成电池的方法，既能实现有效消除氮氧化物的排放减少环境污染，又能充分利用化学能进行粗铝的精炼，如图B所示，e极为精铝．
a极通入NO₂气体（填化学式），判断的理由是e为精铝，发生还原反应，所以d极发生氧化反应，则a极为正极，正极上二氧化氮得电子生成氮气
（3）某小组往一恒温恒压容器充入9mol N₂和23mol H₂模拟合成氨反应，图C为不同温度下平衡混合物中氨气的体积分数与总压强（p）的关系图．若体系在T₂、60MPa下达到平衡．
①能判断N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）达到平衡的是bd（填序号）．
a．容器内压强不再发生变化    b．混合气体的密度不再发生变化
c．v_正（N₂）=3v_逆（H₂）       d．混合气体的平均相对分子质量不再发生变化
②若T₁、T₂、T₃温度下的平衡常数分别为K₁、K₂、K₃，则K₁、K₂、K₃由大到小的排序为K₁＞K₂＞K₃．
③此时N₂的平衡分压为9MPa．（分压=总压×物质的量分数）
计算出此时的平衡常数Kp=0.043（MPa）^-2．（用平衡分压代替平衡浓度计算，结果保留2位有效数字并带上单位）

Answer 1

分析 （1）①a、b氢气起始浓度相同，b到达平衡的时间缩短，说明反应速率增大，平衡时氢气的浓度减小，说明平衡正向移动；
②a条件下，0～t₀的平均反应速率v（N₂）=$\frac{1}{3}$ v（H₂）=$\frac{1}{3}$×$\frac{△c}{△t}$；
（2）根据图知，e为精铝，为电解池阴极，d为阳极，所以通入a的电极是正极、通入b的电极是负极，原电池中NH₃和NO₂构成原电池，负极上失电子发生氧化反应，正极上得电子发生还原反应；
（3）①可逆反应达到平衡状态时，正逆反应速率相等，反应体系中各物质的物质的量、物质的量浓度、百分含量以及由此引起的一系列物理量不变；
  ②相同压强下，升高温度平衡逆向移动，氨气的体积分数减小，根据图知，温度T₁＜T₂＜T₃；
  ③若体系在T₂、60MPa下达到平衡，相同温度下，气体的体积分数等于其物质的量分数，
设平衡时n（NH₃）=xmol，
              N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）
开始（mol）9            23             0
反应（mol）0.5x       1.5x           x
平衡（mol）9-0.5x    23-1.5x      x
平衡时氨气体积分数=$\frac{x}{9-0.5x+23-1.5x+x}$×100%=60%，
x=12，
氮气分压=$\frac{9-0.5×12}{9+23-12}$×60MPa；此时的平衡常数Kp等生成物压强幂之积与反应物压强幂之积的比．

解答 解：（1）①a、b氢气起始浓度相同，b到达平衡的时间缩短，说明反应速率增大，平衡时氢气的浓度减小，说明平衡正向移动，所以改变的条件是增大c（N₂），
故答案为：增大c（N₂）；a、b起始浓度相同，b到达平衡的时间缩短且氢气的转化率增大；
②a条件下，0～t₀的平均反应速率v（N₂）=$\frac{1}{3}$ v（H₂）=$\frac{1}{3}$×$\frac{△c}{△t}$=$\frac{1}{3}$×$\frac{（{c}_{0}-{c}_{1}）mol/L}{100{t}_{0}min}$=$\frac{{c}_{0}-{c}_{1}}{300{t}_{0}}$mol/（L．min），
故答案为：$\frac{{c}_{0}-{c}_{1}}{300{t}_{0}}$；
（2）根据图知，e为精铝，为电解池阴极，d为阳极，所以通入a的电极是正极、通入b的电极是负极，原电池中NH₃和NO₂构成原电池，负极上失电子发生氧化反应，正极上得电子发生还原反应，原电池中二氧化氮得电子生成氮气，氨气失电子生成氮气，所以a电极上通入的是NO₂，
故答案为：NO₂；e为精铝，发生还原反应，所以d极发生氧化反应，则a极为正极，正极上二氧化氮得电子生成氮气；
（3）①a．该反应是恒压，所以无论反应是否达到平衡状态压强都不变，所以不能据此判断平衡状态，故a错误；
 b．反应前后气体总质量不变但容器体积改变，所以混合气体的密度改变，当混合气体密度不变时该反应达到平衡状态，故b正确；
c．3v_正（N₂）=v_逆（H₂）时该反应达到平衡状态，当v_正（N₂）=3v_逆（H₂）时该反应没有达到平衡状态，故c错误；       
d．反应前后混合气体质量不变，但气体总物质的量减小，所以混合气体相对分子质量增加，当混合气体的平均相对分子质量不再发生变化时，正逆反应速率相等，反应达到平衡状态，故d正确；
故选bd；
  ②相同压强下，升高温度平衡逆向移动，氨气的体积分数减小，根据图知，温度T₁＜T₂＜T₃，温度越高化学平衡常数越小，所以化学平衡常数K₁＞K₂＞K₃，
故答案为：K₁＞K₂＞K₃；
  ③若体系在T₂、60MPa下达到平衡，相同温度下，气体的体积分数等于其物质的量分数，
设平衡时n（NH₃）=xmol，
              N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）
开始（mol）9            23             0
反应（mol）0.5x       1.5x           x
平衡（mol）9-0.5x    23-1.5x      x
平衡时氨气体积分数=$\frac{x}{9-0.5x+23-1.5x+x}$×100%=60%，
x=12，
氮气分压=$\frac{9-0.5×12}{9+23-12}$×60MPa=9MPa；
氨气的分压=60%×60MPa=36MPa，
氢气分压=60MPa-9MPa-36MPa=15MPa，
此时的平衡常数Kp=$\frac{（36MPa）^{2}}{（9MPa）．（15MPa）^{3}}$=0.043（MPa）^-2，
故答案为：9；0.043（MPa）^-2．

点评 本题考查较综合，涉及化学平衡计算、化学平衡状态判断、原电池和电解池原理等知识点，侧重考查学生图象分析、计算能力，注意（3）①为恒压条件下时容器体积改变，为易错点．