Question

2．合成氨工业是基础化学工业的重要组成部分．
（1）以NH₃与CO₂为原料可合成化肥尿素．
已知：
①2NH₃（g）+CO₂（g）═NH₂CO₂NH₄（s）△H=-159.5kJ•mol^-1
②NH₂CO₂NH₄（s）═CO（NH₂）₂（s）+H₂O（l）△H=+28.5kJ•mol^-1
③H₂O（l）═H₂O（g）△H=+44.0kJ•mol^-1
则NH₃（g）与CO₂（g）合成CO（NH₂）₂（s）和H₂O（g）的热化学方程式为2NH₃（g）+CO₂（g）═CO（NH₂）₂（s）+H₂O（g）△H=-87 kJ•mol^-1．
（2）工业合成氨在合成塔中进行，测得合成塔入口气体体积比N₂：H₂：NH₃为6：18：1，出口气体体积比N₂：H₂：NH₃为9：27：8，则H₂的转化率为25%．
（3）为降低合成氨工业废水的氨氮浓度，在厌氧氨氧化菌的催化作用下，使铵盐与亚硝酸盐反应生成N₂，该反应的离子方程式是NH₄⁺+NO₂^-$\frac{\underline{\;厌氧氨氧化菌\;}}{\;}$N₂+2H₂O．
（4）犹他大学化学家发明了N₂/H₂生物燃料电池，以质子交换膜为隔膜，室温条件下合成了氨的同时还提供了电能（工作原理如图1所示）．该生物燃料电池中，正极电极反应式为N₂+6e^-+6H⁺═2NH₃．

（5）NH₃可用于烟气的脱硝，使烟气中的NO还原为N₂．某研究小组研究了NH₃和NO在Ag₂O催化剂表面的反应活性随温度的变化关系，实验结果如图2所示．在有氧条件下，温度580K之后NO生成N₂的转化率降低的原因可能是催化剂活性降低．在温度为420～580K时，有氧条件下NO生成N₂的转化率明显高于无氧条件的原因可能是NO与O₂反应生成NO₂，NO₂更易与NH₃反应．

Answer 1

分析 （1）依据热化学方程式和盖斯定律计算①+②+③得到CO₂与NH₃合成尿素和液态水的热化学反应方程式；
（2）合成氨反应为：N₂+3H₂?2NH₃，测得合成塔入口处气体N₂、H₂、NH₃的体积比为6：18：1，设这三种气体体积分别为6xL、18xL、xL，设H₂的转化率为a，则参加反应的氢气体积为18xaL，出口处N₂、H₂、NH₃的体积分别为6x（1-a）L、（18x-18xa）L、（x+6xa）L，出口处N₂、H₂、NH₃的体积比为9：27：8，即6x（1-a）L：（18x-18xa）L：（x+6xa）L=9：27：8，据此计算氢气转化率；
（3）在厌氧氨氧化菌的催化作用下，使铵盐与亚硝酸盐反应生成N₂和水；
（4）N₂/H₂生物燃料电池，以质子交换膜为隔膜，室温条件下合成了氨的同时还提供了电能，是发生原电池反应，负极是氢气失电子发生氧化反应，正极是氮气得到电子发生还原反应；
（5）在有氧条件下，温度580K之后NO生成N₂的转化率降低，是催化剂活性减小，在温度为420～580K时，有氧条件下NO生成N₂的转化率明显高于无氧条件，是一氧化氮和氧气易发生反应生成二氧化氮，二氧化氮与氨气更易发生氧化还原反应．

解答 解：（1）①2NH₃（g）+CO₂（g）═NH₂CO₂NH₄（s）△H=-159.5kJ•mol^-1
②NH₂CO₂NH₄（s）═CO（NH₂）₂（s）+H₂O（l）△H=+28.5kJ•mol^-1
③H₂O（l）═H₂O（g）△H=+44.0kJ•mol^-1
盖斯定律计算①+②+③，则NH₃（g）与CO₂（g）合成CO（NH₂）₂（s）和H₂O（g）的热化学方程式为2NH₃（g）+CO₂（g）═CO（NH₂）₂（s）+H₂O（g）△H=-87 kJ•mol^-1 ，
故答案为：2NH₃（g）+CO₂（g）═CO（NH₂）₂（s）+H₂O（g）△H=-87 kJ•mol^-1；
（2）合成氨反应为：N₂+3H₂?2NH₃，测得合成塔入口处气体N₂、H₂、NH₃的体积比为6：18：1，设这三种气体体积分别为6xL、18xL、xL，设H₂的转化率为a，则参加反应的氢气体积为18xaL，出口处N₂、H₂、NH₃的体积分别为6x（1-a）L、（18x-18xa）L、（x+12xa）L，出口处N₂、H₂、NH₃的体积比为9：27：8，即6x（1-a）L：（18x-18xa）L：（x+12xa）L=9：27：8，则氢气转化率a为25%，
故答案为：25%；
（3）在厌氧氨氧化菌的催化作用下，使铵盐与亚硝酸盐反应生成N₂和水，反应的离子方程式为：NH₄⁺+NO₂^-$\frac{\underline{\;厌氧氨氧化菌\;}}{\;}$N₂+2H₂O，
故答案为：NH₄⁺+NO₂^-$\frac{\underline{\;厌氧氨氧化菌\;}}{\;}$N₂+2H₂O；
（4）N₂/H₂生物燃料电池，以质子交换膜为隔膜，室温条件下合成了氨的同时还提供了电能，是发生原电池反应，负极是氢气失电子发生氧化反应，正极是氮气得到电子发生还原反应，正极电极反应N₂+6e^-+6H⁺═2NH₃，
故答案为：N₂+6e^-+6H⁺═2NH₃；
（5）在有氧条件下，温度580K之后NO生成N₂的转化率降低的原因可能是催化剂活性降低，在温度为420～580K时，有氧条件下NO生成N₂的转化率明显高于无氧条件的原因可能是：NO与O₂反应生成NO₂，NO₂更易与NH₃反应，
故答案为：催化剂活性降低；NO与O₂反应生成NO₂，NO₂更易与NH₃反应．

点评 本题考查了热化学方程式书写、化学平衡计算、原电池原理分析、图象变化趋势的理解应用，掌握基础是解题关键，题目难度中等．