Question

氮是地球上含量丰富的一种元素，氮及其化合物在工农业生产、生活中有着重要作用，工业上采用各种方法进行人工固氮合成氮的化合物．
请回答下列问题：
（1）工业合成氨反应的化学方程式为：N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H=-92.2kJ/mol．我国合成氨工业目前的生产条件为：催化剂-铁触媒，温度-400～500℃，压强-30～50MPa．从化学反应速率和化学平衡角度解释合成氨工业中原料气压缩到30～50MPa的原因是

 

．
（2）下表为不同温度下上述反应的平衡常数，由此可推知，表中T₁

 

573K（填“＞”、“＜”或“=”）．

T/K	T1	573	T3
K	1.00×107	2.54×105	1.88×103

（3）实验室模拟工业合成氨的生产，在一容积为2L的恒容密闭容器内加入0.2mol的N₂和0.6mol的H₂，进行如下化学反应：N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g），反应中NH₃的物质的量浓度的变化情况如图：

①反应至4min达平衡，根据如图，计算从反应开始到平衡时，平均反应速率v（N₂）=

 

．
②下列各项能作为判断该反应达到化学平衡状态的依据的是

 

（填字母）．
A．断开3mol H-H键时，形成6mol N-H键
B．v（N₂）_正：v（H₂）_正=1：3
C．容器内气体的相对分子量保持不变
D．容器中气体的压强保持不变
③在第5min末将容器的体积缩小一半后，若在第8min末达到新的平衡（此时NH₃的浓度约为0.25mol/L），请在图中画出第5min末达到此平衡时NH₃浓度的变化曲线．
（4）合成氨工业中原料气H₂可用甲烷在高温下与水蒸气反应制得，化学反应方程式为：
CH₄（g）+H₂O（g）

高温  .

 CO（g）+3H₂（g）．部分物质的燃烧热对应的热效应数据如下表：

物  质	燃烧热（kJ?mol-1）
H2（g）	△H1
CO（g）	△H2
CH4（g）	△H3

已知：H₂O（g）═H₂O（l）△H₄．写出CH₄和H₂O在高温下反应的热化学方程式中△H=

 

（用△H₁、△H₂、△H₃、△H₄表示）．
（5）工业合成氨气需要的反应条件非常高且产量低，科学家采用高质子导电性的SCY陶瓷（能传递H⁺）实现氨的电化学合成．电化学合成氨过程的总反应式为：N₂+3H₂

通电      .

一定条件

2NH₃，则在电化学合成氨的过程中，通N₂的一端应接电源的

 

极，阳极反应式为

 

．

Answer 1

考点：物质的量或浓度随时间的变化曲线,化学电源新型电池,化学平衡的调控作用,化学平衡状态的判断

专题：基本概念与基本理论

分析：（1）由外界条件对化学平衡以及化学反应速率的影响分析；
（2）反应是放热反应，升温平衡逆向进行，平衡常数减小；
（3）①依据反应速率概念计算，V

△c

△t

得到，先依据图象计算氨气的反应速率，结合反应速率之比等于化学方程式计量数之比得到氮气反应速率；
②平衡标志是正逆反应速率相同，各组分含量保持不变分析选项；
③第5分钟末将容器的体积缩小一半后，氨气的浓度为原来的一倍，压强增大平衡向正方向移动，氨气的浓度逐渐增大，到8min时达到平衡，浓度约为0.25mol/L，以此解答；
（4）写出各反应的热化学方程式，根据各反应的热化学方程式，利用盖斯定律解答；
（5）依据电解原理分析，阳极是失电子发生氧化反应，阴极是得到电子发生还原反应，结合化学反应的方程式中元素化合价变化判断得到，电极名称和电极反应．

解答： 解：（1）合成氨反应的化学方程式为：N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H=-92.2kJ/mol，反应物气体的化学计量数大于生成物气体的化学计量数，则加压有利于平衡正向移动，提高原料气的转化率，升高温度虽然不利于平衡向正反应方向移动，但能增大反应速率，缩短达到平衡的时间．
故答案为：加压使化学反应速率加快，有利于平衡正向移动，提高原料气的转化率；
（2）工业合成氨反应的化学方程式为：N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H=-92.2kJ/mol，反应是放热反应，升温平衡逆向进行，平衡常数减小，则T₁＜573K；
故答案为：＜；  
（3）①图象分析可知氨气平衡浓度为0.1mol/L，则V（NH₃）=

0.1mol/L

4min

=0.025mol/L?min，V（N₂）=

1

2

V（NH₃）=

1

2

×0.025mol/L?min=0.0125mol/（L?min）；
故答案为：0.0125mol/（L?min）；
 ②反应N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H=-92.2kJ/mol，气体体积减小的放热反应；
A．断开3mol H-H键时，形成6mol N-H键，是表示这些进行，不能说明反应达到平衡状态，故A错误；
B．v（N₂）_正：v（H₂）_正=1：3，是正反应速率之比，不能酸钠正逆反应速率相同，故B错误；
C．反应前后气体质量不变，物质的量减小，容器内气体的相对分子量保持不变，说明反应达到平衡状态，故C正确；
D．反应前后气体物质的量变化，容器中气体的压强保持不变，说明反应达到平衡状态，故D正确；
故答案为：C D；
③第5分钟末将容器的体积缩小一半后，氨气的浓度为原来的一倍，压强增大平衡向正方向移动，氨气的浓度逐渐增大，到8min时达到平衡，浓度约为0.25mol/L，故答案为：；
（4）由表中数据可知：①H₂（g）+

1

2

O₂（g）=H₂O（l）△H₁kJ?mol^-1，
②CO（g）+

1

2

O₂（g）=CO₂（g）△H₂kJ?mol^-1，
③CH₄（g）+2O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l）△H₃kJ?mol^-1，
④H₂O（g）=H₂O（l）△H₄kJ?mol^-1，
利用盖斯定律，将③+④-①×3-②可得：CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g）△H=（△H₃+△H₄-3△H₁-△H₂）kJ?mol^-1，
故答案为：△H₃+△H₄-3△H₁-△H₂；
（5）电解池的阳极发生氧化反应，阴极发生还原反应，所以氢气不断通入阳极，失电子生成氢离子，电极反应为：H₂-2e^-=2H⁺；通氮气一端为阴极和电源负极连接，氮气得到电子结合氢离子反应生成氨气，电极反应为：N₂+6H⁺+6e^-=2NH₃，
故答案为：负极，H₂-2e^-=2H⁺；

点评：本题考查了化学反应速率影响因素分析，化学平衡标志判断，热化学方程式计算应用，电解池原理和电极反应书写，图象绘制是解题关键，题目难度中等．