Question

合成氨然后再生产尿素是最重要的化工生产．在3个2L的密闭容器中，在相同的温度下、使用相同的催化剂分别进行反应：
3H₂（g）+N₂（g）

高温高压

催化剂

2NH₃（g），按不同方式投入反应物，保持恒温、恒容，测得反应达到平衡时有关数据如下：

容器	甲	乙	丙
反应物投入量	3mol H2、2mol N2	6mol H2、4mol N2	2mol NH3
达到平衡的时间/min		5	8
平衡时N2的浓度/mol?L-1	c1	1.5
NH3的体积分数	ω1		ω3
混合气体密度/g?L-1	ρ1	ρ2

（1）下列各项能说明该反应已达到平衡状态的是

 

（填写序号字母）．
a．容器内N₂、H₂、NH₃的浓度之比为1：3：2        b．v_（N2）正=3v_（H2）逆
c．容器内压强保持不变                        d．混合气体的密度保持不变
（2）容器乙中反应从开始到达平衡的反应速率为v（H₂）=

 

．
（3）在该温度下甲容器中反应的平衡常数K=

 

（用含c₁的代数式表示，无需化简）．
（4）分析上表数据，下列关系正确的是

 

（填序号）：
a．2c₁＞1.5mol/L        b．2ρ₁=ρ₂       c．ω₃=ω₁   d．K_甲=K_乙=K_丙
（5）氨和尿素溶液都可以吸收硝酸工业尾气中的NO、NO₂，将其转化为N₂．
①尿素与NO、NO₂三者等物质的量反应为：CO（NH₂）₂+NO+NO₂═CO₂+2N₂+2H₂O 该反应中的氧化剂为

 

（写化学式）．
②已知：N₂（g）+O₂（g）═2NO（g）△H=a kJ?mol^-1
N₂（g）+3H₂（g）═2NH₃（g）△H₂=b kJ?mol^-1
2H₂（g）+O₂（g）═2H₂O（g）△H=c kJ?mol^-1
则4NH₃（g）+4NO（g）+O₂（g）═4N₂（g）+6H₂O（g）△H=

 

 kJ?mol^-1．
（6）直接供氨式碱性燃料电池的电池反应式是4NH₃+3O₂=2N₂+6H₂O，电解质溶液一般使用KOH溶液，则负极电极反应式是

 

．

Answer 1

考点：化学平衡状态的判断,用盖斯定律进行有关反应热的计算,化学电源新型电池,化学平衡常数的含义

专题：化学反应中的能量变化,化学平衡专题,电化学专题

分析：（1）达到平衡状态时，正逆反应速率相等，各物质的浓度不变，以此判断；
（2）先计算出用氮气表示的反应速率，然后利用化学计量数关系计算出用氢气表示的反应速率；
（3）计算出反应前氮气、氢气的物质的量浓度，然后利用化学平衡三段式计算出达到平衡时各组分的浓度，最后根据化学平衡常数表达式计算出该温度下的平衡常数；
（4）先将丙中的数据按照化学计量数转化成反应物氮气、氢气的物质的量，然后利用等效平衡知识进行分析；
（5）①根据氧化还原反应反应方程式中氧化剂化合价降低，反应中被还原分析该反应中的氧化剂；
②依据热化学方程式和盖斯定律计算出该反应的焓变；
（6）碱性电解质，负极发生氧化反应．

解答： 解：（1）a．容器内N₂、H₂、NH₃的浓度之比为1：3：2，不能说明达到判断状态，取决于起始配料比和转化程度，故a错误；
b．当3v（N₂）_正=v（H₂）_逆时，才说明达到平衡状态，故b错误；
c．容器内压强保持不变，可说明达到平衡状态，故c正确；
d．恒容时体积不变，质量不变，则混合气体的密度保持不变，不能达到平衡状态，故d错误．
故答案为：c；
（2）容器乙中，反应前氮气的浓度为：

4mol

2L

=2mol/L，氮气的平均反应速率为：v（N₂）=

2mol/L-1.5mol/L

5min

=0.1mol?L^-1?min^-1，根据反应3H₂（g）+N₂（g）?2NH₃（g）可知：v（H₂）=3v（N₂）=0.3 mol?L^-1?min^-1，
故答案为：0.3 mol?L^-1?min^-1；
（3）甲容器中，反应前氢气浓度为：c（H₂）=

3mol

2L

=1.5mol/L，氮气的浓度为：

2mol

2L

=1mol/L，达到平衡时氮气的浓度变化为：（1-c₁）mol/L，
由化学平衡的三段式可得：
               3H₂（g）+N₂（g）?2NH₃（g）
反应前（mol/L）：1.5           1             0
浓度变化：（mol/L）：3（1-c₁） （1-c₁）    2（1-c₁）
反应后：（mol/L）：1.5-3（1-c₁） 1-（1-c₁） 2（1-c₁）
在该温度下甲容器中反应的平衡常数K=

(2-2c1)2

c1?(3c1-1.5)

，
故答案为：

(2-2c1)2

c1?(3c1-1.5)

；
（4）恒温、恒容条件下：
a．假设乙容器的容积为4L，则达到平衡时甲乙为等效平衡，各组分的含量、浓度相等，此时氮气的浓度为c₁，然后将容器的容积缩小到2L，若平衡不移动，2c₁=1.5mol/L，由于压强增大，平衡向着正向移动，氨气的浓度增大，所以2c₁＞1.5mol/L，故a正确；
b．反应前后都是气体，容器的容积都是2L，乙中混合气体的质量为甲的2倍，根据ρ=

m

V

可知：2ρ₁=ρ₂，故b正确；
c．丙中2mol氨气相当于加入了1mol氮气、3mol氢气，而甲中为3mol H₂、2mol N₂，由于丙反应物氮气的物质的量减小，生成的氨气的物质的量减小，所以ω₃＜ω₁，故c错误；
d．K_甲=K_乙=K_丙，温度相同，K值相同，故d正确；
故选abd；
（5）①反应CO（NH₂）₂+NO+NO₂=CO₂+2N₂+2H₂O中，化合价升高和降低的都是氮元素，其中NO、NO₂中的氮元素化合价降低，被还原，在反应中作氧化剂，
故答案为：NO、NO₂；
②已知：①N₂（g）+O₂（g）=2NO（g）△H=a kJ?mol^-1
②N₂（g）+3H₂（g）=2NH₃（g）△H₂=b kJ?mol^-1
③2H₂（g）+O₂（g）=2H₂O（g）△H=c kJ?mol^-1
依据盖斯定律③×3-2×②-2×①得到，4NO（g）+4NH₃（g）+O₂（g）═4N₂（g）+6H₂O（g）△H=（3c-2a-2b）kJ/mol，故答案为：（3c-2a-2b）；
（6）氨气为碱性气体，易与酸反应，所以电解质溶液应呈碱性，负极发生氧化反应，氨气被氧化生产氮气，电极反应式为2NH₃-6e^-+6OH^-=N₂+6H₂O，
故答案为：碱性；2NH₃-6e^-+6OH^-=N₂+6H₂O．

点评：本题考查化学平衡、电化学，盖斯定律的运用等知识，题目难度中等，本题影响化学平衡的因素，把握电极反应式的书写．