Question

11．合成氨的工业化生产，解决了世界粮食问题，是重大的化学研究成果．现将lmolN₂和3molH₂投入1L的密闭容器，在一定条件下，利用N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H＜0反应模拟哈伯合成氨的工业化生产．当改变某一外界条件（温度或压强）时，NH₃的体积分数ψ（NH₃）变化趋势如图所示．
回答下列问题：
（1）已知：
①NH₃（I）?NH₃（g）△H₁
②N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（I）△H₂
则反应N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）的△H=2△H₁+△H₂（用含△H₁、△H₂的代数式表示）．
（2）合成氨的平衡常数表达式为K=$\frac{{c}^{2}（N{H}_{3}）}{c（{N}_{2}）•{c}^{3}（{H}_{2}）}$，平衡时，M点NH₃的体积分数为10%，则N₂的转化率为18%（保留两位有效数字）．
（3）图中，Y轴表示温度（填“温度”或“压强”），判断的理由是随Y值增大，φ（NH₃）减小，平衡N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H＜0向逆反应方向移动，故Y为温度．
（4）利用氨气设计一种环保燃料电池，一极通入氨气，另一极通入空气，电解质是掺杂氧化钇（Y₂0₃）的氧化锆（ZrO₂）晶体，它在熔融状态下能传导O^2-．写出负极的电极反应式2NH₃+3O^2--6e^-=N₂+3H₂O．

Answer 1

分析 （1）根据盖斯定律，①×2+②可得③，反应热也进行相应计算；
（2）化学平衡常数是指：一定温度下，可逆反应到达平衡时，生成物的浓度系数次幂之积与反应物的浓度系数次幂之积的比，固体、纯液体不需要在化学平衡常数中写出；设转化的氮气为xmol，表示出平衡时各物质的物质的量，再根据M点NH₃的体积分数为10%列方程计算解答；
（3）随Y值增大，φ（NH₃）减小，平衡N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H＜0向逆反应方向移动，正反应为体积减小的放热反应，故Y为温度，则X为压强，增大压强平衡正向移动，φ（NH₃）增大；
（4）原电池负极发生氧化反应，氨气在负极失去电子，与电解质氧化传导的O^2-结合生成氮气与水．

解答 解：（1）已知：①NH₃（l）?NH₃（g）△H₁
②N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（l）△H₂
根据盖斯定律，①×2+②可得：N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g），故△H=2△H₁+△H₂，
故答案为：2△H₁+△H₂；
（2）反应N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）的平衡常数表达式K=$\frac{{c}^{2}（N{H}_{3}）}{c（{N}_{2}）•{c}^{3}（{H}_{2}）}$；
设转化的氮气为xmol，则：N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）
起始量（mol）：1        3        0
转化量（mol）：x       3x        2x
平衡量（mol）：1-x      3-3x       2x
所以$\frac{2x}{4-2x}$=10%，解得x=$\frac{2}{11}$mol，故氮气转化率为$\frac{\frac{2}{11}mol}{1mol}$×100%=18%，
故答案为：K=$\frac{{c}^{2}（N{H}_{3}）}{c（{N}_{2}）•{c}^{3}（{H}_{2}）}$；18%；
（3）随Y值增大，φ（NH₃）减小，平衡N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H＜0向逆反应方向移动，正反应为体积减小的放热反应，故Y为温度，则X为压强，增大压强平衡正向移动；
故答案为：温度；随Y值增大，φ（NH₃）减小，平衡N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H＜0向逆反应方向移动，故Y为温度；
（4）原电池负极发生氧化反应，氨气在负极失去电子，与电解质氧化传导的O^2-结合生成氮气与水，负极电极反应式为：2NH₃+3O^2--6e^-=N₂+3H₂O，
故答案为：2NH₃+3O^2--6e^-=N₂+3H₂O．

点评 本题考查化学平衡计算与影响因素、反应热计算、原电池等，题目比较综合，需要学生具备扎实的基础与灵活应用能力，难度中等．