Question

合成氨反应在解决世界70亿人口的吃饭问题上起了重要的作用，合成氨的方法有很多．

（一）方法1：合成塔中发生反应N₂+3H₂（g）?2NH₃（g），下表给出了500℃条件下，某恒容密闭容器中该反应起始和平衡时各物质的浓度数据，则平衡时N₂的转化率为

 

，该条件下反应的平衡数为

 

．

初始浓度（mol/L）			平衡浓度（mol/L）
c0（N2）	c0（H2）	c0（NH3）	c平（N2）	c平（H2）	c平（NH3）
2.48	4.34	0	1.85	2.43	1.27

方法2：1998年2位希腊化学家提出了电解合成氨的新思路，采用高质子导电性的SCY陶瓷（能传递H⁺）
为介质，实现了高温（570℃）常压下高转化率的电解法合成氨，装置如图1．钯电极A是电解池的

 

极（填“阳”或“阴”），该极上的电极反应式是

 

．
方法3：最新的“人工固氮”研究报道：在常温、常压、光照条件下，N₂在催化剂（掺有少量Fe₂O₃的TiO₂）
表面与水发生下列反应：2N₂（g）+6H₂O（l）?4NH₃（g）+3O₂（g）△H=a kJ/mol
进一步研究NH₃生成量与温度的关系（其它条件均一样），反应3 小时，测得部分实验
数据如下表：

T/K	303	313	323
NH3生成量/（10-6mol）	4.8	5.8	6.0

（1）依据上述数据，能否判断该反应是放热还是吸热反应？说出你的判断依据：

 

．
（2）已知N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H=-92.4kJ?mol^-1
2H₂（g）+O₂（g）?2H₂O（l）△H=-571.6kJ?mol^-1
求上述固氮反应的△H=

 

（二）NH₃的另外一个重要用途是制备HNO₃，提供如图2仪器（图中铁夹、橡皮管等辅助用品已略去，多余的仪器可以不用，个别仪器可以重复使用），请你组装出一套装置，模拟工业上氨的催化氧化，并保证在仪器e中能看到红棕色气体，最终能制得HNO₃．请你写出所设计方案的仪器连接循序：a→

 

（将所连接仪器的顺序依次填入即可）．若a仪器用m d代替，则d中装入得药品为

 

．若a仪器用b代替，则b中用到的药品为

 

．

Answer 1

考点：工业合成氨,用盖斯定律进行有关反应热的计算,化学平衡的计算,电解原理,制备实验方案的设计

专题：基本概念与基本理论

分析：（一）方法1：利用三行式结合转化率=

变化量

初始量

×100%、K=

生成物平衡浓度系数次幂之积

反应物平衡浓度系数次幂之积

来计算；
方法2：电解池中，阳离子移向阴极，在阴极上发生还原反应；
方法3：：（1）达到平衡时，可以根据温度对化学平衡移动方向的影响来判断反应的吸放热情况；
（2）根据盖斯定律计算焓变；
（二）氨的催化氧化中的氧气可以用空气代替，加热氯化铵和氢氧化钙的混合物可以制氨气，还可以用浓氨水和碱石灰（或生石灰、或是氢氧化钠固体）来制备，据此确定实验组装顺序以及试剂．

解答： 解：（一）方法1：设平衡时N₂的变化量是x，则
          N₂（g）+3H₂（g）=2NH₃（g）
初始浓度：2.48     4.34       0
变化浓度：0.63    1.91       1.27
平衡浓度：1.85     2.43      1.27
衡时N₂的转化率为

0.63

2.48

×100%=25.4%，K=

c2(NH3)

c(N2)?c3(H2)

=

1.272

1.85×2.433

=0.0608，故答案为：25.4%；0.0608；
方法2、电解池中，氢离子移向阴极，所以钯电极A是电解池的阴极，阴极发生还原反应，氮气在阴极上放电，与氢离子结合生成氨气，即N₂+6e^-+6H⁺=2NH₃，
故答案为：阴；N₂+6H⁺+6e^-=2NH₃；
方法3：（1）温度对化学平衡移动方向的影响是：温度越高，氨气的量越大，但是没有告诉说是进行到3小时达到了平衡，故无法判断反应的吸放热情况，
故答案为：不能；因为没有给出反应进行3小时是否达到了平衡；
②已知：a、N₂（g）+3H₂（g）=2NH₃（g）；△H=-92.4kJ/mol；
b、O₂（g）+2H₂（g）═2H₂O（l）；△H=-571.6kJ/mol，则反应2N₂（g）+6H₂O（l）═4NH₃（g）+3O₂（g）等于2a-3b；
所以△H=2×（-92.4kJ/mol）-3×（-571.6kJ/mol）=+1530.0kJ/mol，
故答案为：+1530.0kJ/mol；
（二）氨的催化氧化中的氨气可以用a制备，将氨气干燥，再和空气混合在催化剂的作用下可以获得NO，和空气相遇即可得到二氧化氮，二氧化氮和水反应，即可制的硝酸溶液，所以连接顺序是a→g→f→d→e→d，加热氯化铵和氢氧化钙的混合物可以制氨气，还可以用浓氨水和碱石灰（或生石灰、或是氢氧化钠固体）来制备，若a仪器用m d代替，则d中装入得药品为浓氨水，若a仪器用b代替，则b中用到的药品为浓氨水和生石灰（碱石灰或是氢氧化钠固体），用来制取氨气，
故答案为：a→g→f→d→e→d；浓氨水；浓氨水和生石灰（碱石灰或是氢氧化钠固体）．

点评：本题以考查工业合成氨为载体，涉及盖斯定律的应用、化学平衡转化率和平衡常数的计算以及电化学等综合知识，属于综合知识的考查，难度大．