Question

8．研究氮及其化合物对化工生产有重要意义．
（1）工业合成氨的原理为N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H=-92.4kJ•mol^-1．
下图甲表示在一定体积的密闭容器中反应时N₂的物质的量浓度随时间的变化，图乙表示在其他条件不变的情况下，改变起始投料中H₂与N₂的物质的量之比（设为n）对该平衡的影响

①已知图甲中0～t₁ min内，v（H₂）=0.03mol•L^-1•min^-1，则t₁=30 min；若从t₂ min起仅改变一个反应条件，则所改变的条件可能是降低温度或增大H₂浓度（填一种即可）；图乙中，b点时n=3．
②已知某温度下该反应的K=10，该温度下向容器中同时加入下列浓度的混合气体：c（H₂）=0.1mol•L^-1，c（N₂）=0.5mol•L^-1，c（NH₃）=0.1mol•L^-1，则在平衡建立过程中NH₃的浓度变化趋势是逐渐减小（填“逐渐增大”“逐渐减小”或“恒定不变”）．
（2）已知肼（N₂H₄）是二元弱碱，其电离是分步的，电离方程式为N₂H₄+H₂O?N₂H₅⁺+OH^-、N₂H₅⁺+H₂O?N₂H₆²⁺+OH^-．
（3）中国航天科技集团公司计划在2015年完成20次宇航发射任务．肼（N₂H₄）可作为火箭发动机的燃料，与氧化剂N₂O₄反应生成N₂和水蒸气．
已知：①N₂（g）+2O₂（g）═N₂O₄（l）
△H₁=-195kJ•mol^-1
②N₂H₄（l）+O₂（g）═N₂（g）+2H₂O（g）
△H₂=-534.2kJ•mol^-1
写出肼和N₂O₄反应的热化学方程式：2N₂H₄（l）++N₂O₄（l）=3N₂（g）+4H₂O（g）△H=-873.4 kJ•mol^-1．
（4）以NO₂为原料可以制得新型绿色硝化剂N₂O₅，原理是先将NO₂转化为N₂O₄，然后采用电解法制备N₂O₅，其装置如图丙所示，两端是石墨电极，中间隔板只允许离子通过，不允许水分子通过．
①已知两室加入的试剂分别是：a．硝酸溶液；b．N₂O₄和无水硝酸，则左室加入的试剂应为b（填代号），其电极反应式为N₂O₄+2HNO₃-2e^-=2N₂O₅+2H⁺．
②若以甲醇燃料电池为电源进行上述电解，已知：CH₃OH（g）+$\frac{3}{2}$O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-651kJ•mol^-1，又知甲醇和水的汽化热分别为11kJ•mol^-1、44kJ•mol^-1，标准状况下，该燃料电池消耗0.5mol CH₃OH产生的最大电能为345.8kJ，则该电池的能量效率为95%（电池的能量效率=电池所产生的最大电能与电池所释放的全部能量之比）．

Answer 1

分析 （1）根据速率之比等于化学计量数之比，然后根据速率的计算公式求出时间；根据影响化学平衡的因素来解答；当N₂与H₂的起始体积比符合方程式中化学计量数之比时，达到平衡时氨的体积分数最大；根据浓度商和化学平衡常数比较，判断化学平衡移动方向，进而判断平衡建立过程中NH₃的浓度变化趋势；
（2）N₂H₄是二元弱碱，其性质与氨气相似，第一步电离出1个氢氧根离子和N₂H₅⁺，则第二步中N₂H₅⁺电离出1个氢氧根离子和N₂H₆²⁺；
（3）依据盖斯定律，结合题干热化学方程式计算写出；
（4）①由N₂O₄制取N₂O₅需要失去电子，所以N₂O₅在阳极区生成，即左室为阳极，右室为阴极；
②1mol液态CH₃OH变成气态CH₃OH需吸热11KJ，1mol液态水变成气态水需吸热44KJ，结合CH₃OH（g）的燃烧热△H为-651kJ/mol求解CH₃OH（l）的燃烧热，电池的能量效率=电池所产生的最大电能与电池所释放的全部能量之比，根据液态甲醇的燃烧热计算0.5mol甲醇完全燃烧放出的热量，结合原电池产生的电能计算；

解答 解：（1）①0～t₁ min内，v（H₂）=0.03mol•L^-1•min^-1，则v（N₂）=0.01mol•L^-1•min^-1，则v=$\frac{△c}{△t}$=$\frac{0.3mol•{L}^{-1}}{{t}_{1}min}$=0.01mol•L^-1•min^-1，解得t₁=30 min；
从t₂min起N₂的浓度逐渐减小，可能是降低温度或增大H₂浓度使平衡正向移动引起的；
当N₂与H₂的起始体积比符合方程式中化学计量数之比时，达到平衡时氨的体积分数最大，即图乙中，b点时n=3；
故答案为：30 min；降低温度或增大H₂浓度；3；
②c（H₂）=0.1mol•L^-1，c（N₂）=0.5mol•L^-1，c（NH₃）=0.1mol•L^-1，则Qc=$\frac{{c}^{2}（N{H}_{3}）}{c（{N}_{2}）•{c}^{3}（{H}_{2}）}$=$\frac{0．{1}^{2}}{0.5×0．{1}^{3}}$=20＞10，所以反应逆向进行，NH₃的浓度逐渐减小；
故答案为：逐渐减小；
（2）N₂H₄是二元弱碱，其电离分步进行，第一步N₂H₄部分电离出OH^-、N₂H₅⁺，电离方程式为：N₂H₄+H₂O?N₂H₅⁺+OH^-，则第二步中N₂H₅⁺在溶液中部分电离出出OH^-、N₂H₆²⁺，电离方程式为：N₂H₅⁺+H₂O?N₂H₆²⁺+OH^-；
故答案为：N₂H₄+H₂O?N₂H₅⁺+OH^-；N₂H₅⁺+H₂O?N₂H₆²⁺+OH^-；
（3）①N₂（g）+2O₂（g）=N₂O₄（l）△H₁=-195kJ?mol^-1
②N₂H₄（l）+O₂ （g）=N₂（g）+2H₂O（g）△H₂=-534.2kJ•mol^-1
根据盖斯定律可知反应②×2-反应①即得到反应：2N₂H₄（l）+N₂O₄（l）=3N₂（g）+4H₂O（g）△H=-873.4 kJ•mol^-1；
故答案为：2N₂H₄（l）++N₂O₄（l）=3N₂（g）+4H₂O（g）△H=-873.4 kJ•mol^-1；
（4）①装置图中与电源正极相连的电极为阳极，与电源负极相连的电极为阴极，从电解原理来看，N₂O₄制备N₂O₅为氧化反应，则N₂O₅应在阳极区生成，故生成N₂O₅的左室为阳极，右室为阴极，生成N₂O₅的反应式为N₂O₄+2HNO₃-2e^-=2N₂O₅+2H⁺；
故答案为：b；N₂O₄+2HNO₃-2e^-=2N₂O₅+2H⁺；
②1mol液态CH₃OH变成气态CH₃OH需吸热11KJ，CH₃OH（g）=CH₃OH（l）△H=-11KJ/mol①，1mol液态水变成气态水需吸热44KJ，H₂O（g）=H₂O（l）△H=-44KJ/mol②，CH₃OH（g）+$\frac{3}{2}$O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-651kJ•mol^-1③，则③-①+②×2得：CH₃OH（l）+$\frac{3}{2}$O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（l）△H=（-651KJ/mol+11KJ/mol-88KJ/mol）=-728KJ/mol，理想状态下，该燃料电池消耗0.5molCH₃OH（1）产生的热量为$\frac{728KJ}{2}$=364KJ，所以该燃料电池的理论效率为$\frac{345.8kJ}{364KJ}$×100%=95%；
故答案为：95%；

点评 本题考查反应速率、化学平衡、反应热的有关计算，电极反应书写，侧重于学生的分析能力和计算能力的考查，注意Qc和K之间的大小关系是判断反应方向的依据，题目难度中等．