Question

4．研究氮的固定具有重要意义．
（1）雷雨天气中发生自然固氮后，氮元素转化为硝酸盐而存在于土壤中．处于研究阶段的化学固氮新方法是N₂在催化剂表面与水发生如下反应：
2N₂（g）+6H₂O（l）=4NH₃（g）+3O₂（g）△H      K  ①
已知：N₂（g）+3H₂（g）=2NH₃（g）△H₁=-92.4kJ•mol^-1   K₁②
2H₂（g）+O₂（g）=2H₂O（l）△H₂=-571.6kJ•mol^-1   K₂③
则△H=+1530kJ•mol^-1；K=$\frac{{{K}_{1}}^{2}}{{{K}_{2}}^{3}}$（用K₁和 K₂表示）．
（2）在四个容积为2L的密闭容器中，分别充入1mol N₂、3mol H₂O，在催化剂条件下进行反应①3小时，实验数据见下表：

序号	第一组	第二组	第三组	第四组
t/℃	30	40	50	80
NH3生成量/（10-6mol）	4.8	5.9	6.0	2.0

下列能说明反应①达到平衡状态的是bd（填字母）．
a．NH₃和O₂的物质的量之比为4：3
b．反应混合物中各组份的质量分数不变
c．单位时间内每消耗1molN₂的同时生成2molNH₃
d．容器内气体密度不变
若第三组反应3h后已达平衡，第三组N₂的转化率为3×10^-4%；与前三组相比，第四组反应中NH₃生成量最小的原因可能是催化剂在80℃活性减小，反应速率反而减慢．

Answer 1

分析 （1）雷雨天气中发生自然固氮后，N₂→NO→NO₂→NO₃^-，氮元素转化为硝酸盐而存在土壤中，根据盖斯定律①=②×2-③×3，△H=-92.4kJ•mol^-1×2+3×571.6kJ•mol^-1=+1530kJ•mol^-1，K=$\frac{{{K}_{1}}^{2}}{{{K}_{2}}^{3}}$；
（2）在反应2N₂（g）+6H₂O（l）=4NH₃（g）+3O₂（g）中，
a．NH₃和O₂的物质的量之比为4：3，反应不一定平衡；
b．反应混合物中各组份的质量分数不变，反应达到平衡；
c．单位时间内每消耗1molN₂的同时生成2molNH₃，都向正反应方向移动，反应不一定平衡；
d．容器内气体密度逐渐增大，当不变时，反应达到平衡；
若第三组反应3h后已达平衡，反应的N₂的为$\frac{1}{2}$×6.0×10^-6mol=3.0×10^-6mol，第三组N₂的转化率为$\frac{3.0×1{0}^{-6}mol}{1mol}$=3×10^-4%；
第四组温度最高但达平衡时，氨气的物质的量最小，可能是催化剂在80℃活性减小，反应速率反而减慢；

解答 解：（1）雷雨天气中发生自然固氮后，N₂→NO→NO₂→NO₃^-，氮元素转化为硝酸盐而存在土壤中，根据盖斯定律①=②×2-③×3，△H=-92.4kJ•mol^-1×2+3×571.6kJ•mol^-1=+1530kJ•mol^-1，K=$\frac{{{K}_{1}}^{2}}{{{K}_{2}}^{3}}$，
故答案为：硝酸盐；+1530kJ•mol^-1；$\frac{{{K}_{1}}^{2}}{{{K}_{2}}^{3}}$；
（2）在反应2N₂（g）+6H₂O（l）=4NH₃（g）+3O₂（g）中，
a．NH₃和O₂的物质的量之比为4：3，反应不一定平衡；
b．反应混合物中各组份的质量分数不变，反应达到平衡；
c．单位时间内每消耗1molN₂的同时生成2molNH₃，都向正反应方向移动，反应不一定平衡；
d．容器内气体密度逐渐增大，当不变时，反应达到平衡；
若第三组反应3h后已达平衡，反应的N₂的为$\frac{1}{2}$×6.0×10^-6mol=3.0×10^-6mol，第三组N₂的转化率为$\frac{3.0×1{0}^{-6}mol}{1mol}$=3×10^-4%；
第四组温度最高但达平衡时，氨气的物质的量最小，可能是催化剂在80℃活性减小，反应速率反而减慢，
故答案为：bd；3×10^-4%；催化剂在80℃活性减小，反应速率反而减慢；

点评 本题考查盖斯定律，电极反应式的书写，转化率，平衡状态，离子浓度大小比较，利用三段式法来分析解答即可，难度中等．