Question

11．氮的固定对工农业及人类生存具有重大意义．
Ⅰ．合成氨是最重要的人工固氮：N₂（g）+3H₂（g） $?_{高温高压}^{催化剂}$2NH₃（g）．
（1）下列关于该反应的说法中，正确的是D．
A．△H＞0，△S＞0         B．△H＞0，△S＜0
C．△H＜0，△S＞0         D．△H＜0，△S＜0
（2）一定温度下，在容积为1L的密闭容器中，加入ImolN₂和3molH₂，反应达到平衡时H₂的转化率为60%，则此条件下反应的平衡常数K=2.08（此处不要求写单位）；保持容器体积不变，再向容器中加入lmolN₂，3molH₂反应达到平衡时，氢气的转化率将增大（填“增大”、“减小”或“不变”）
（3）标准状况下，若将22.4mL的氨气通入100mLpH为2的盐酸中．则溶液中各离子浓度的顺序由大到小为c（Cl^-）＞c（NH₄⁺）＞c（H⁺）＞c（OH^-）．
（4）将氨气通入盛有CaSO₄悬浊液的沉淀池中，再通入适量的CO₂气体，充分反应后，过滤所得滤液为（NH₄）₂SO₄溶液，该过程的化学方程式为CaSO₄+CO₂+2NH₃+H₂O=CaCO₃↓+（NH₄）₂SO₄．
II．随着研究的不断深入，科学家发明了越來越多有关氮的固定方法．
（5）20世纪末，科学家采用高质子导电性的SCY陶瓷（能传递H⁺）为介质，用吸附在它内外表面上的金属钯多晶薄膜做电极，实现常压、570℃高温的电解法合成氨，提高了反应物的转化率，其实验简图如图，阴极的电极反应式为N₂+6e^-+6H⁺=2NH₃．
（6）近年，又有科学家提出在常温、常压、催化剂等条件下合成氨气的新思路，反应原理为：
2N₂（g）+6H₂O（I）?4NH₃（g）+3O₂（g），则其反应热△H=+1530 kJ•mol^-1．（已知：N₂（g）+3H₂（g）?
2NH₃（g）△H=-92.4kJ•mol^-1；2H₂（g）+O₂（g）?2H₂O（I）△H=-571.6kJ•mol^-1）

Answer 1

分析 （1）依据反应自发进行的判据：△H-T△S＜0解答；
（2）利用平衡三行式，结合平衡常数的涵义计算此反应的平衡常数；保持容器体积不变，再向容器中加入lmolN₂，3molH₂，相同于原容器在恒温条件下2molN₂、6molH₂建立平衡，依据等效平衡理论，相当于由2倍容器体积的基础上再缩小到原体积，据此判断平衡移动的方向，确定氢气的转化率变化；
（3）标准状况下，若将22.4mL的氨气，即0.001mol氨气通入100mLpH为2的盐酸中（HCl的物质的量为0.001mol），所得溶液为NH₄Cl，结合离子的水解和电荷守恒判断各离子浓度的大小；
（4）将氨气通入盛有CaSO₄悬浊液的沉淀池中，再通入适量的CO₂气体，过滤得滤液为（NH₄）₂SO₄溶液，根据反应原理可知同时得到碳酸钙沉淀，结合原子守恒可写出此反应的化学方程式；
（5）氮气在阴极得电子生成氨气；
（6）已知：①N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H=-92.4kJ•mol^-1，
②2H₂（g）+O₂（g）?2H₂O（l）△H=-571.6kJ•mol^-1，
由盖斯定律：①×2-②×3得2N₂（g）+6H₂O（l）?4NH₃（g）+3O₂（g），据此分析．

解答 解：（1）反应N₂（g）+3H₂（g） $?_{高温高压}^{催化剂}$2NH₃（g）的△S＜0，根据△H-T△S＜0可知△H＜0，选项D正确，故答案为：D；
（2）N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）
起始物质的量（mol/L）      1            3                 0
变化物质的量（mol/L）      0.6          1.8             1.2
平衡物质的量（mol/L）      0.4          1.2             1.2
K=$\frac{{c}^{2}（N{H}_{3}）}{c（{N}_{2}）×{c}^{3}（{H}_{2}）}$=$\frac{1．{2}^{2}}{0.4×1．{2}^{3}}$=2.08，
保持容器体积不变，再向容器中加入lmolN₂，3molH₂，相当于在2L容器中加入2molN₂、6molH₂反应达到平衡时再缩小体积到1L，此时平衡正向移动，氢气的转化率增大；
故答案为：2.08；增大；
（3）标准状况下，若将22.4mL的氨气通入100mLpH为2的盐酸中得到NH₄Cl溶液，NH₄⁺的水解使得溶液显酸性，即c（H⁺）＞c（OH^-），再结合溶液中的电荷守恒可知溶液中各离子浓度的顺序由大到小为c（Cl^-）＞c（NH₄⁺）＞c（H⁺）＞c（OH^-），故答案为：c（Cl^-）＞c（NH₄⁺）＞c（H⁺）＞c（OH^-）；
（4）将氨气通入盛有CaSO₄悬浊液的沉淀池中，再通入适量的CO₂气体，可得到碳酸钙沉淀，同时过滤得滤液为（NH₄）₂SO₄溶液，发生反应的化学方程式为CaSO₄+CO₂+2NH₃+H₂O=CaCO₃↓+（NH₄）₂SO₄，故答案为：CaSO₄+CO₂+2NH₃+H₂O=CaCO₃↓+（NH₄）₂SO₄；
（5）电解池中氮气在阴极得电子生成氨气，其电极方程式为：N₂+6e^-+6H⁺=2NH₃，故答案为：N₂+6e^-+6H⁺=2NH₃；
（6）已知：①N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H=-92.4kJ•mol^-1，
②2H₂（g）+O₂（g）?2H₂O（l）△H=-571.6kJ•mol^-1，
由盖斯定律：①×2-②×3得2N₂（g）+6H₂O（l）?4NH₃（g）+3O₂（g），△H=（-92.4kJ•mol^-1）×2-（-571.6kJ•mol^-1）×3=+1530 kJ•mol^-1；
故答案为：+1530 kJ•mol^-1．

点评 本题考查了熵变与焓变的应用、平衡常数的应用、等效平衡的应用、溶液中离子浓度的大小比较、电解原理的应用、盖斯定律的应用等，题目难度中等，侧重于基础知识的综合应用考查，重点是平衡常数的计算及能量的计算．