Question

3．化石燃料的燃烧会产生大量污染大气的二氧化硫和温室气体二氧化碳．而氢气和氨气都被认为是无碳无污染的清洁能源．
（1）某些合金可用于储存于氢，金属储氢的原理克表示为M+xH₂═MH_2x（M表示某种合金）．如图1表示温度分别为T₁、T₂且T₁＜T₂时最大吸氢量与氢气压强的关系．则该反应的△H＜0（填“＞”或“＜”）

（2）氨在氧气中燃烧，生成水和一种空气组成成分的单质．已知：N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H=-92KJ•mol^-1及H₂的燃烧热为286kJ•mol^-1；试写出氨在氧气中燃烧生成液态水的热化学方程式：4NH₃（g）+3O₂（g）=2N₂（g）+6H₂O（l）△H=-1532kJ•mol^-1．
（3）在一定条件下，将1molN₂和3molH₂混合与一个10L的容积不变的密闭容器中发生反应，5分钟后达到平衡，平衡时氨的体积分数为25%．
①反应的平衡常数表达式为K=$\frac{c{\;}^{2}（NH{\;}_{3}）}{c（N{\;}_{2}）•c{\;}^{3}（H{\;}_{2}）}$；
②反应开始到平衡时H₂的消耗速率v（H₂）=0.024mol/（L﹒min）；
③能判断该反应是否达到化学平衡状态的依据是a；
a 容器中压强不变      b．混合气体的密度不变
c.3v（H₂）=2v（NH₃）   d．c（N₂）：c（H₂）：c（NH₃）=1：3：2
④对于上述平衡状态，改变下列条件能使反应速率增大，且平衡向正向移动的是d；
a 选用更高效的催化剂     b 升高温度c 及时分离出氨气         d 增加H₂的浓度
⑤如今采用SCY陶瓷固体电解质的电化学合成氨装置（如图2），该装置用可以传导质子的固态物质作为介质．电池总反应为N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g），那么该电解池阴极反应式为N₂+6e^-+6H⁺=2NH₃，当阳极失去0.6mol电子时，阴极产生的气体在标准状态下的体积为4.48L．

Answer 1

分析 （1）在压强相同的条件下，T₁对应的吸氢量大，又T₁＜T₂，也就是T₂→T₁，降温平衡正向移动，据此分析；
（2）N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H=-92kJ•mol^-1 ①
     由H₂的燃烧热为286kJ•mol^-1，则2H₂（g）+O₂（g）=2H₂O（l）△H=-572kJ•mol^-1 ②
根据盖斯定律，由②×3-①×2解答；
（3）①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；
②设参加反应的氮气的物质的量，再根据三段法求出各自的物质的量，再根据体积分数求出未知数，然后根据v=$\frac{△c}{△t}$计算反应速率；
③化学反应达到平衡状态时，正逆反应速率相等，各物质的浓度不变，由此衍生的一些物理量也不变，以此解答；
④依据影响化学反应速率的因素分析，增大压强，浓度、升高温度速率都增大，平衡是气体体积减小的放热反应，依据平衡移动原理分析判断；
⑤阴极发生还原反应，氮气在阴极上放电，与氢离子结合生成氨气；根据电极方程式计算阴极产生的气体在标准状态下的体积．

解答 解：（1）在压强相同的条件下，T₁对应的吸氢量大，又T₁＜T₂，也就是T₂→T₁，降温平衡正向移动，所以正反应是放热反应，则△H＜0；
故答案为：＜；
（2）N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H=-92kJ•mol^-1 ①
     由H₂的燃烧热为286kJ•mol^-1，则2H₂（g）+O₂（g）=2H₂O（l）△H=-572kJ•mol^-1 ②
根据盖斯定律，由②×3-①×2得：4NH₃（g）+3O₂（g）=2N₂（g）+6H₂O（l）△H=-572kJ•mol^-1×3+92kJ•mol^-1×2=-1532 kJ•mol^-1
故答案为：4NH₃（g）+3O₂（g）=2N₂（g）+6H₂O（l）△H=-1532 kJ•mol^-1；
（3）①该反应的平衡常数表达式K=$\frac{c{\;}^{2}（NH{\;}_{3}）}{c（N{\;}_{2}）•c{\;}^{3}（H{\;}_{2}）}$，故答案为：K=$\frac{c{\;}^{2}（NH{\;}_{3}）}{c（N{\;}_{2}）•c{\;}^{3}（H{\;}_{2}）}$；
②设参加反应的氮气的物质的量xmol，
                N₂ +3H₂ $?_{高温高压}^{催化剂}$ 2NH₃
开始（mol）：1      3              0
变化（mol）：x      3x             2x
平衡（mol）：1-x     3-3x          2x
5min后达到平衡，平衡时氨的体积分数为$\frac{2x}{1-x+3-3x+2x}$×100%=25%，解：x=0.4，
H₂的反应速率v（H₂）=$\frac{\frac{0.4mol}{10L}}{5min}$×3=0.024mol/（L﹒min），故答案为：0.024mol/（L﹒min）； 
③a．该可逆反应反应前后气体的物质的量发生变化，则容器内压强也不停变化，所以容器中压强不变，能说明反应到达平衡，故a正确；
b．因为反应前后总质量不变，又体积不变，所以混合气体的密度始终不变，则混合气体的密度不变，不能说明反应到达平衡，故b错误；
c．3v（H₂）=2v（NH₃），未指明正逆方向，不能说明反应到达平衡，故c错误；
d．c（N₂）：c（H₂）：c（NH₃）=1：3：2时可能处于平衡状态，可能不处于平衡状态，与反应的条件有关，故d错误；
故选：a；
④a．选用更高效的催化剂，能增大正反应速率，但平衡不移动，故a错误；
b．升高温度，能增大正反应速率，但平衡向吸热的逆向移动，故b错误；
c．及时分离出氨气，反应速率减慢，故c错误；
d．增加H₂的浓度，增大反应物的浓度，能增大正反应速率，平衡正向移动，故d正确；
故选d；
⑤阴极发生还原反应，氮气在阴极上放电，与氢离子结合生成氨气，电极反应式为N₂+6e^-+6H⁺=2NH₃，当阳极失去0.6mol电子时，则阴极得到0.6mol电子，所以产生的气体在标准状态下的体积为$\frac{0.6mol}{6}$×2×22.4L/mol=4.48L，故答案为：N₂+6e^-+6H⁺=2NH₃；4.48L．

点评 本题考查了图象的理解应用，主要是化学反应速率、化学平衡影响因素、平衡标志以及电解池原理等知识，掌握基础是解题关键，题目难度中等，注意知识的迁移应用．