Question

6．氨在工农业生产中应用广泛．德国人哈伯发明了合成氨反应，其原理为：N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H=-92.4kJ/mol．在500℃、20MPa时，将N₂和H₂通入到体积为2L的密闭容器中，反应过程中各种物质的物质的量变化如图1所示：
（1）10min内用NH₃表示该反应的平均速率，v（NH₃）=0.005mol/（L•min）．
（2）在10～20min内NH₃浓度变化的原因可能是a（填字母）．
a．加了催化剂   b．降低温度  c．增加NH₃的物质的量
（3）该可逆反应达到平衡的标志是ce （填字母）．
a．3v（H₂）_正=2v（NH₃）_逆
b．混合气体的密度不再随时间变化
c．容器内的总压强不再随时间而变化
d．N₂、H₂、NH₃的分子数之比为1：3：2
e．单位时间生成m mol N₂的同时消耗3m mol H₂
f．a mol N≡N键断裂的同时，有6a mol N-H键合成
（4）第一次平衡时，平衡常数K₁=K₁=$\frac{（0.15）^{2}}{（0.125）×（0.075）^{3}}$（用数学表达式表示）．NH₃的体积分数是42.86%（保留2位小数）．
（5）在反应进行到25min时，曲线发生变化的原因是移走了生成的NH₃（或减小了氨气的浓度）．
（6）已知：N₂（g）+3H₂（g）═2NH₃（g）△H=-92.4kJ/mol
2H₂（g）+O₂（g）═2H₂O（g）△H=-483.6kJ/mol
氨气完全燃烧生成气态水的热化学方程式是4NH₃（g）+3O₂（g）═2N₂（g）+6H₂O（g）△H=-1266kJ/mol．
（7）氨氧燃料电池具有很大的发展潜力．氨氧燃料电池工作原理如图2所示：
①a电极的电极反应式是2NH₃-6e^-+6OH^-═N₂+6H₂O；
②一段时间后，需向装置中补充KOH，请依据反应原理解释原因是由于电池反应生成水，4NH₃+3O₂=2N₂+6H₂O，所以电解质中氢氧根浓度减小，即碱性减弱，pH减小，为维持碱溶液的浓度不变需要向装置中补充KOH．

Answer 1

分析 （1）10min内氨气的物质的量不会为0.10mol，根据反应速率v=$\frac{\frac{△n}{V}}{△t}$计算；
（2）根据图象知，平衡向正反应方向移动，10min时是连续的，三种气体物质的速率增加倍数相同，说明为使用催化剂；
（3）可逆反应达到平衡状态时，正逆反应速率相等，各组分的浓度、百分含量不再变化，据此进行判断；
（4）化学平衡常数等于生成物浓度幂之积与反应物浓度幂之积的比；相同条件下气体体积分数等于其物质的量分数；
（5）25分钟，NH₃的物质的量突然减少，而H₂、N₂的物质的量不变，据此判断改变的条件；
（6）已知：①N₂（g）+3H₂（g）═2NH₃（g）△H=-92.4kJ/mol
②2H₂（g）+O₂（g）═2H₂O（g）△H=-483.6kJ/mol
根据盖斯定律②×3-①×2可得4NH₃（g）+3O₂（g）═2N₂（g）+6H₂O（g），据此计算出其焓变即可；
（7）①燃料电池中，负极上是燃料氨发生失电子的氧化反应；
②根据电极反应式分析氢氧根离子浓度的变化情况．

解答 解：（1）根据图象可知，10min时氨气的物质的量为0.1mol，则10min内用NH₃表示该反应的平均速率为：v（NH₃）=$\frac{\frac{0.10mol}{2L}}{10min}$=0.005 mol/（L•min），
故答案为：0.005 mol/（L•min）；
（2）由图象可知各组分物质的量变化增加，且10min时变化是连续的，20min达平衡时，△n（N₂）=0.025mol×4=0.1mol，△n（H₂）=0.025mol×12=0.3mol，△n（NH₃）=0.025mol×8=0.2mol，物质的量变化之比等于化学计量数之比，三种气体物质的速率增加倍数相同，说明10min可能改变的条件是使用催化剂；而降低温度，应该反应速率减小，增加NH₃物质的量，逆反应速率增加的倍数大，故只有使用催化剂符合，故a正确，
故答案为：a；
（3）a．3v（H₂）_正=2v（NH₃）_逆，表示的是正反应和逆反应，但是不满足计量数关系，说明没有达到平衡状态，故a错误；
b．混合气体的质量不变，气体的体积不变，故密度不变，若密度不再随时间变化，不能说明平衡，故b错误；
c．容器内前后气体的物质的量有变化，说明压强时变量，总压强不再随时间而变化，说明平衡，故c正确；
d．N₂、H₂、NH₃的分子数之比为1：3：2，无法判断各组分的浓度是否不再变化，故d错误；
e．单位时间生成m mol N₂的同时消耗3m mol H₂，方向相反成正比例，故e正确；
f．a mol N≡N键断裂的同时，有6a mol N-H键合成，表示的都是正反应，无法判断是否达到平衡状态，故f错误；
故答案为：c e；
（4）由图象可知，20min时该反应第一次达到平衡状态，n（N₂）=0.025mol×10=0.25mol，则c（N₂）=$\frac{0.25mol}{2L}$=0.125mol/L，n（H₂）=0.025mol×6=0.15mol，则c（H₂）=$\frac{0.15mol}{2L}$=0.075mol/L，n（NH₃）=0.025mol×12=0.3mol，则c（NH₃）=$\frac{0.3mol}{2L}$=0.15mol/L，所以第一次平衡时，平衡常数K₁=$\frac{（0.15）^{2}}{（0.125）×（0.075）^{3}}$；此时氨气的体积分数=物质的量分数=$\frac{0.3mol}{0.25mol+0.15mol+0.3mol}$×100%≈42.86%，
故答案为：K₁=$\frac{（0.15）^{2}}{（0.125）×（0.075）^{3}}$；42.86%；
（5）根据图象可知第25分钟时NH₃的物质的量突然减少，H₂、N₂的物质的量不变，说明改变条件应是移走了生成的NH₃，
故答案为：移走了生成的NH₃（或减小了氨气的浓度）；
（6）已知：①N₂（g）+3H₂（g）═2NH₃（g）△H=-92.4kJ/mol、②2H₂（g）+O₂（g）═2H₂O（g）△H=-483.6kJ/mol，
根据盖斯定律②×3-①×2得：4NH₃（g）+3O₂（g）═2N₂（g）+6H₂O（g）△H=（-483.6kJ/mol）×3-（-92.4kJ/mol）×2=-1266kJ/mol，
即氨气完全燃烧生成气态水的热化学方程式是：4NH₃（g）+3O₂（g）═2N₂（g）+6H₂O（g）△H=-1266kJ/mol，
故答案为：4NH₃（g）+3O₂（g）═2N₂（g）+6H₂O（g）△H=-1266kJ/mol；
（7）①燃料电池中，负极上是燃料氨发生失电子的氧化反应，a电极通入的是氨气，为负极，负极上燃料氨气失电子发生氧化反应，电极反应式为：2NH₃-6e^-+6OH^-═N₂+6H₂O，b电极为正极，电极反应为：O₂+2H₂O+4e^-=4OH^-，
故答案为：2NH₃-6e^-+6OH^-═N₂+6H₂O；
②反应一段时间后，由于电池反应生成水，4NH₃+3O₂=2N₂+6H₂O，所以电解质中氢氧根浓度减小，即碱性减弱，pH减小，为维持碱溶液的浓度不变需要向装置中补充KOH，
故答案为：由于电池反应生成水，4NH₃+3O₂=2N₂+6H₂O，所以电解质中氢氧根浓度减小，即碱性减弱，pH减小，为维持碱溶液的浓度不变需要向装置中补充KOH．

点评 本题考查较为综合，涉及化学平衡计算、反应热与焓变、原电池工作原理、化学平衡状态的判断等知识，题目浓度较大，明确化学平衡及其影响为解答关键，试题知识点较多、综合性较强，充分考查了学生的分析、理解能力及灵活应用能力．