Question

4．氮的固定意义重大，氮肥的使用大面积提高了粮食产量．

（1）目前人工固氮最有效的方法是N₂+3H₂$?_{高温高压}^{催化剂}$2NH₃（用一个化学方程式表示）．
（2）自然界发生的一个固氮反应是N₂（g）+O₂（g）$\frac{\underline{\;放电\;}}{\;}$2NO（g），已知N₂、O₂、NO三种分子中化学键断裂所吸收的能量依次为946kJ?mol^-1、498kJ?mol^-1、632kJ?mol^-1，则该反应的△H=+180kJ?mol^-1．该反应在放电或极高温下才能发生，原因是N₂分子中化学键很稳定，反应需要很高的活化能．
（3）100kPa时，反应2NO（g）+O₂（g）?2NO₂（g）中NO的平衡转化率与温度的关系曲线如图1，反应2NO₂（g）?N₂O₄（g）中NO₂的平衡转化率与温度的关系曲线如图2．
①图1中A、B、C三点表示不同温度、压强下2NO（g）+O₂（g）?2NO₂（g）达到平衡时NO的转化率，则B点对应的压强最大．
②100kPa、25℃时，2NO₂（g）?N₂O₄（g）平衡体系中N₂O₄的物质的量分数为66.7%，N₂O₄的分压p（N₂O₄）=66.7 kPa，列式计算平衡常数K_p=$\frac{p（{N}_{2}{O}_{4}）}{{p}^{2}（N{O}_{2}）}=\frac{100KPa×66.7%}{[100kPa×（1-66.7%）]^{2}}$=0.06（kPa）^-1．（K_p用平衡分压代替平衡浓度计算，分压=总压×物质的量分数）
③100kPa、25℃时，VmL NO与0.5V mLO₂混合后最终气体的体积为0.6VmL．
（4）室温下，用注射器吸入一定量NO₂气体，将针头插入胶塞密封（如图3），然后迅速将气体体积压缩为原来的一半并使活塞固定，此时手握针筒有热感，继续放置一段时间．从活塞固定时开始观察，气体颜色逐渐变浅（填“变深”或“变浅”），原因是活塞固定时2NO₂（g）N₂O₄（g）已达平衡状态，因反应是放热反应，放置时气体温度下降，平衡向正反应方向移动，NO₂浓度降低．[已知2NO₂（g）?N₂O₄（g）在几微秒内即可达到化学平衡]．

Answer 1

分析 （1）游离态的氮元素反应生成化合态氮元素为氮的固定，如工业合成氨；
（2）热化学方程式中，反应焓变=反应物的总键能-生成物的总键能，据此计算；
（3）①2NO（g）+O₂（g）?2NO₂（g），反应是气体体积减小的反应压强越大平衡正向进行，图中曲线上各点为等压不等温，通过控制变量做等温线确定ABC三点与曲线交点等温不等压，从而确定曲线以下的点压强小于100kPa，曲线以上的点压强大于100kPa；
②利用三段法列式计算，恒压100kPa、25℃时NO₂的转化率为80%，设起始量二氧化氮物质的量为x，
              2NO₂（g）?N₂O₄（g）
起始量（mol）   x        0
变化量（mol）  0.8x      0.4x
平衡量（mol）  0.2x      0.4x
平衡体系中N₂O₄的物质的量分数=$\frac{0.4x}{0.6x}$×100%=66.7%，混合气体中某一气体的分压与其物质的量分数一致，可计算出N₂O₄的分压，
K_p用平衡分压代替平衡浓度计算，分压=总压×物质的量分数列式计算；
③由图1可知100kPa、25℃时一氧化氮的转化率为100%，而此条件下NO₂（g）的转化率为80%，由此判断平衡时剩余气体的体积；
（4）压缩活塞平衡正移，反应放热，针管微热，活塞固定时2NO₂（g）?N₂O₄（g）已达平衡状态，放置时气体温度下降，平衡向正反应方向移动，NO₂浓度降低，颜色变浅．

解答 解：（1）游离态的氮元素反应生成化合态氮元素为氮的固定，如工业合成氨，反应的化学方程式为：N₂+3H_{2$?_{高温高压}^{催化剂}$} 2NH₃，
故答案为：N₂+3H₂$?_{高温高压}^{催化剂}$2NH₃；
（2）N₂（g）+O₂（g）$\frac{\underline{\;放电\;}}{\;}$2NO（g），已知N₂、O₂、NO三种分子中化学键断裂所吸收的能量依次为946kJ•mol^-1、498kJ•mol^-1、632kJ•mol^-1，反应焓变△H=（946kJ•mol^-1+498kJ•mol^-1）-2×632kJ•mol^-1=+180KJ/mol，
故答案为：+180；N₂分子中化学键很稳定，反应需要很高的活化能；
（3）①图中曲线上各点为等压不等温，通过控制变量做等温线确定ABC三点与曲线交点等温不等压，从而确定曲线以下的点压强小于100kPa，曲线以上的点压强大于100kPa，所以B点压强最大，
故答案为：B；
②利用三段法列式计算，恒压100kPa、25℃时NO₂的转化率为80%，设起始量二氧化氮物质的量为x，
                  2NO₂（g）?N₂O₄（g）
起始量（mol）   x        0
变化量（mol）  0.8x      0.4x
平衡量（mol）  0.2x      0.4x
平衡体系中N₂O₄的物质的量分数=$\frac{0.4x}{0.6x}$×100%=66.7%，混合气体中某一气体的分压与其物质的量分数一致，所以N₂O₄的分压为 66.7KPa，
K_p用平衡分压代替平衡浓度计算，分压=总压×物质的量分数，
则Kp$\frac{p（{N}_{2}{O}_{4}）}{{p}^{2}（N{O}_{2}）}=\frac{100KPa×66.7%}{[100kPa×（1-66.7%）]^{2}}$=0.06（kPa）^-1；故答案为：66.7%；$\frac{p（{N}_{2}{O}_{4}）}{{p}^{2}（N{O}_{2}）}=\frac{100KPa×66.7%}{[100kPa×（1-66.7%）]^{2}}$=0.06（kPa）^-1；
③由图1可知100kPa、25℃时一氧化氮的转化率为100%，可得VmLNO2（g），而此条件下NO₂（g）的转化率为80%，则判断平衡时剩余气体的体积为V（1-80%）mL+0.4VmL=0.6VmL，故答案为：0.6V；
（4）压缩活塞平衡正移，反应放热，针管微热，活塞固定时2NO₂（g）?N₂O₄（g）已达平衡状态，放置时气体温度下降，平衡向正反应方向移动，NO₂浓度降低，颜色变浅．
故答案为：变浅；活塞固定时2NO₂（g）?N₂O₄（g）已达平衡状态，因反应是放热反应，放置时气体温度下降，平衡向正反应方向移动，NO₂浓度降低．

点评 本题考查了化学键键能计算反应焓变、图象分析化学平衡影响因素、平衡常数计算，掌握化学平衡移动原理是解题关键，题目难度中等．