Question

6．氨是氮循环过程中的重要物质，氨的合成是目前普遍使用的人工固氮方法．
（1）根据图1提供的信息，写出该反应的热化学方程式N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H=-92 kJ•mol^-1．在图1中曲线b（填“a”或“b”）表示加入铁触媒的能量变化曲线．
（2）在恒容器中，下列描述中能说明上述反应已达平衡的是BDE．
A．3v（H₂）_正=2v（NH₃）_逆
B．单位时间内生成nmolN₂的同时生成2nmolNH₃
C．混合气体的密度不再改变
D．容器内压强不随时间的变化而变化
E．断开一个氮氮键同时形成3个氢氢键
F．C（N₂）：C（H₂）：C（NH₃）=1：3：2
（3）一定温度下，向2L密闭容器中充入1molN₂和3molH₂，保持体积不变，0.5min后达到平衡，测得容器中NH₃的体积分数$\frac{1}{9}$，则平均反应速率v（N₂）=0.2mol/（L•min），该温度下的平衡常数K=$\frac{25}{432}$（用分数表示）．如在该温度下向2L密闭容器中通入xmolN₂、ymolH₂、zmolNH₃，使平衡向逆向移动，平衡后NH₃的体积分数为573～637K时的反应时间、反应物配比等因素对其产率的影响．请完成以下实验设计表：

编号	温度/K	反应时间/h	反应物质的量配比	实验目的
①	573	4	1：3	实验②和④探究温度对产率的影响
②	573	4	1：4
③	573	3	4：1	实验②和③探究反应时间对 产率的影响
④	673	4	1：4

（4）使用合适的催化剂和电极材料，以N₂、H₂为原料，以HCl-NH₄Cl为电解质溶液可构成新型燃料电池，同时达到固氮作用．该电池的正极反应式为N₂+6e^-+8H⁺=2NH₄⁺．

Answer 1

分析 （1）根据图1计算出反应热，写出热化学方程式；催化剂能降低反应的活化能；
（2）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；
（3）依据化学平衡三段式列式计算，达到平衡状态，测得容器中NH₃的体积分数$\frac{1}{9}$，设反应中转化的xmol氮气，
                        N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）
起始量（mol）  1                 3                0
变化量（mol）  x                3x              2x
平衡量（mol） 1-x              3-3x           2x
根据v（N₂）=$\frac{△c（{N}_{2}）}{t}$计算；根据k=$\frac{{c}^{2}（N{H}_{3}）}{c（{N}_{2}）•{c}^{3}（{H}_{2}）}$计算；
研究该反应在温度为378～398K时的反应时间、反应物配比等因素对其产率的影响，由控制变量法可知，②和④中只有温度不同，②和③中只有时间不同；
（4）N₂与H₂反应时，氮气得电子，原电池正极发生得电子的还原反应．

解答 解：（1）由图1可知，1molN₂（g）与3molH₂（g）完全反应生成2molNH₃（g）的反应热为508kJ/mol-600kJ/mol=-92kJ/mol，
所以合成氨的热化学反应方程式为N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H═-92kJ/mol，催化剂能降低反应的活化能，b活化能较低，所以b表示加入铁触媒的能量变化曲线；
故答案为：N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H=-92 kJ•mol^-1；b；
（2）A．该反应达到平衡状态时，2v（H₂）_正=3v（NH₃）_逆，故A错误；
B．单位时间内生成n mol N₂的同时生成2n molNH₃，分别表示正逆反应速率，而且正逆速率之比等于化学计量数之比，所以该反应达到平衡状态，故B正确；
C．无论该反应是否达到平衡状态，混合气体的密度始终不变，所以不能判断该反应是否达到平衡状态，故C错误；
D．该反应是一个反应前后气体体积减小的可逆反应，当反应达到平衡状态时，容器内压强不随时间的变化而变化，所以能判断反应是否达到平衡状态，故D正确；
E．断开一个氮氮键，表示正反应速率，形成3个氢氢键表示逆反应速率，而且正逆反应速率之比等于计量数比，所以反应达到平衡状态，故E正确；
F．参加反应的物质的浓度之比与反应物的初始浓度和转化率有关，所以C（N₂）：C（H₂）：C（NH₃）=1：3：2，不一定达到平衡状态，故F错误；
故答案为：BDE；
（3）达到平衡状态，测得容器中NH₃的体积分数$\frac{1}{9}$，设反应中转化的xmol氮气，
                      N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）
起始量（mol） 1              3                0
变化量（mol） x              3x               2x
平衡量（mol） 1-x          3-3x             2x
则$\frac{2x}{1-x+3-3x+2x}$=$\frac{1}{9}$，解得x=0.2，
v（N₂）=$\frac{△c（{N}_{2}）}{t}$=$\frac{\frac{0.2mol}{2L}}{0.5min}$=0.2mol/（L•min）；
k=$\frac{{c}^{2}（N{H}_{3}）}{c（{N}_{2}）•{c}^{3}（{H}_{2}）}$=$\frac{（\frac{0.4mol}{2L}）^{2}}{\frac{0.8mol}{2L}×（\frac{2.4mol}{2L}）^{3}}$=$\frac{25}{432}$；
研究该反应在温度为378～398K时的反应时间、反应物配比等因素对其产率的影响，由控制变量法可知，
实验①和③，温度相同，反应时间相同，应研究反应物配比对氧化镁产率的影响，③中反应物配比应为4：1；
实验②和④，反应时间相同，反应物配比相同，温度不同，应是探究温度对产率的影响；
实验②和③，温度相同、反应物配比相同，反应时间不同，探究反应时间对产率的影响．
故答案为：0.2mol/（L•min）；$\frac{25}{432}$；4：1；温度对产率的影响；③；
（4）以N₂、H₂为原料，以HCl-NH₄Cl为电解质溶液构成新型燃料电池，正极发生还原反应，即氮气被还原生成NH₄⁺，电极反应式为N₂+6e^-+8H⁺=2NH₄⁺，
故答案为：N₂+6e^-+8H⁺=2NH₄⁺．

点评 本题考查较为综合，涉及化学平衡的计算、化学平衡状态的判断、探究反应速率的影响因素、原电池等知识，题目难度中等，注意把握三段式在化学平衡计算中的应用方法，侧重于考查学生的分析能力和计算能力．