题目内容

3．氮及其化合物有广泛应用，回答下列问题．
（1）氨气是一种重要的工业原料，工业上利用氮气和氢气在一定条件下合成氨气：N2（g）+3H2（g）?2NH3（g）△H．该反应过程中的能量变化如图1所示（E1＞0，E2＞0）．

图中E1代表的意义是反应物的活化能．反应热△H的表达式为E1-E2 （用E1、E2表示）．
（2）NH3催化还原氮氧化物（SCR）技术是目前应用最广泛的烟气氮氧化物脱除技术．反应原理如图2所示：
①图3是不同催化剂Mn和Cr在不同温度下对应的脱氮率，由图综合考虑可知最佳的催化剂和相应的温度分别为Mn、200-250℃．
②用Fe做催化剂时，在氨气足量的情况下，不同c（NO2）/c（NO）对应的脱氮率如图4所示，脱氮效果最佳的c（NO2）/c（NO）=1：1．已知生成11.2L N2（标况下）反应放出的热量为Q kJ，此时对应的脱氮反应的热化学方程式为2NH3（g）+NO（g）+NO2（g）?2N2（g）+3H2O（g）△H=-4QkJ/mol．
（3）工业上合成尿素的反应：2NH3（g）+CO2（g）?H2O（g）+CO（NH2）2 （l）△H．
在一个真空恒容密闭容器中充入CO2和NH3发生上述反应，恒定温度下混合气体中NH3的体积分数如图5所示．
A点的正反应速率v正（CO2）＞B点的逆反应速率v逆（CO2）（填“＞”、“＜”或“=”）；CO2的平衡转化率为37.5%．
（4）尿液也能发电！化学家正在研究尿素动力燃料电池，用这种电池直接去除城市废水中的尿素，既能产生净化的水又能发电，其电池工作原理为2CO（NH2）2+3O2═2N2+2CO2+4H2O．电解质溶液为硫酸，则负极的电极反应式为CO（NH2）2+H2O-6e-=CO2+N2+6H+．

分析 （1）E1代表的意义是反应物的活化能；反应中反应物的能量高于生成物的能量，反应是放热反应，焓变小于零，根据焓变的含义来回答；
（2）①温度越高，对设备的要求越高，所以如果催化剂在较低温度下能较大程度的脱氢即可；根据纵坐标判断，相同温度下，脱氢率越高的效果越好；
②据图象进行分析，脱氮效果最佳的c（NO2）/c（NO）=1：1；生成1mol氮气放出QkJ热量，则生成2mol氮气放出2QkJ热量；
（3）图象分析氨气的体积分数从50%变化为20%后体积分数保持不变，说明B点反应达到平衡状态，A点氨气体积百分含量大于B的氨气体积百分含量，说明反应正向进行达到平衡状态，A点的正反应速率大于B点的正反应速率；依据氨气的体积分数结合平衡三段式列式计算平衡转化率；
（4）由尿素燃料电池的结构可知，正极上氧气得到电子生成水，负极上尿素失去电子生成氮气和二氧化碳．

解答 解：（1）E1代表的意义是反应物的活化能；根据图中信息得到：反应物的能量高于生成物的能量，反应是放热反应，焓变=产物的能量-反应物的能量，图中，E1是普通分子变为活化分子吸收的能量，E2 是活化分子之间的反应生成产物的能量变化，E1-E2 是反应物和产物的能量之差，反应是放热的，所以焓变=E1-E2 ＜0，
故答案为：反应物的活化能；E1-E2 ；
（2）①根据图象知，脱氢率越高越好，但Cr作催化剂时温度高于Mn，温度越高，对设备要求越高，增大生产成本，且脱氢率增大较小，所以使用Mn作催化剂较好；根据图象知，在温度为200-250℃或范围内间任意温度，脱氢率较高，
故答案为：Mn；200-250℃；
②据图象进行分析，脱氮效果最佳的c（NO2）/c（NO）=1：1；生成0.5mol氮气放出QkJ热量，则生成2mol氮气放出4QkJ热量，则其热化学反应方程式为2NH3（g）+NO（g）+NO2（g）?2N2（g）+3H2O（g）△H=-4QkJ/mol，
故答案为：1：1；2NH3（g）+NO（g）+NO2（g）?2N2（g）+3H2O（g）△H=-4QkJ/mol；
（3）氨气的体积分数从50%变化为20%后体积分数保持不变，说明B点反应达到平衡状态，A点氨气体积百分含量大于B的氨气体积百分含量，说明反应正向进行达到平衡状态，A点的正反应速率大于B点的正反应速率，故v正（CO2）＞v逆（CO2）；
设氨气为50mol，二氧化碳为50mol，氨气消耗的物质的量x，开始氨气体积分数为50%，则
             2NH3（g）+CO2（g）?CO（NH2）2（s）+H2O（g）
起始量（mol） 50       50        0               0
变化量（mol） x     0.5x        0.5x             0.5x
平衡量（mol） 50-x   50-0.5x    0.5x             0.5x
平衡时氨气的体积分数为20%，故$\frac{50-x}{50-0.5x+50-x+0.5x}$=20%，解得x=37.5mol，
故CO2的平衡转化率=$\frac{0.5×37.5mol}{50mol}$=37.5%，
故答案为：＞；37.5%；
（4）由尿素燃料电池的结构可知，负极上尿素失去电子生成氮气和二氧化碳，负极反应为CO（NH2）2+H2O-6e-=CO2+N2+6H+，
故答案为：CO（NH2）2+H2O-6e-=CO2+N2+6H+．

点评 本题考查化学平衡计算及原电池、反应热等，为高频考点，把握化学平衡三段法、转化率的计算、电极反应为解答的关键，侧重分析与计算能力的考查，注意平衡移动原理的应用，题目难度中等．

练习册系列答案
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