Question

7．氮及其化学物在合成化肥，药物等方面具有广泛用途．
（1）已知反应：N₂（g）+3H₂（g）?2NH₂（g）△H＜0，现分别在200℃、400℃、600℃时，按n（N₂）：n（H₂）=1：3向容器中投料发生该反应，当反应达到平衡时，体系中NH₃的物质的量分数随压强的变化曲线如图1所示．
①曲线a对应的温度是200℃．
②关于工业合成氮的反应，下列叙述正确的是AD．
A．缩小容器体积可以提高H₂的转化率．
B．M点对应N₂的转化率是25%
C．如图1中M、N、Q三点平衡常数K的大小关系是K（M）=K（Q）＜K（N）
D．若N点时c（NH₃）=0.2mol•L^-1，则此时该反应的化学平衡常数K≈0.93
（2）硫酸铵是培养酵母菌的氨源，酸性染料染色助染剂，常温下，向某硫酸钠溶液中滴加适量氨水，恰好使混合溶液呈中性，此时溶液中c（NH₄⁺）=填“＞”“＜”或“=”）2c（SO₄^2-）．
（3）尿素（H₂NCONH₂）是一种非常重要的高效氮肥，工业上以NH₃、CO₂为原料生产尿素的反应如下：
该反应实际为二步反应：
第一步：2NH₃（g）+CO₂（g）═H₂NCOONH₄（s）△H=-272kJ•mol^-1 快
第二步：H₂NCOONH₄（s）═CO（NH₂）₂（s）+H₂O（g）△H=+138kJ•mol^-1 慢
Ⅰ．写出工业上以NH₃、CO₂为原料合成尿素的热化学方程式：2NH₃（g）+CO₂（g）?H₂O（g）+CO（NH₂）₂ （s）△H=-134kJ/mol．
Ⅱ．某实验小组模拟工业上合成尿素的条件，在一体积为0.5L的恒容密闭器中投入4mol氨气和1mol二氧化碳，实验测得反应中部分组成物质的量随时间的变化如图2所示．
①合成尿素总反应的快慢由二步反应决定．
②在0～10min内，第一步反应的速率v（NH₃）=0.296mol•L^-1•min^-1．
③在图3中画出第二步反应的平衡常数K随温度T的变化曲线．
（4）利用氨气设计一种环保燃料电池，其工作原理如图4所示，一极通入氨气，另一极通入空气，电解质是掺杂氧化钇（Y₂O₂）的氧化锆（ZrO₂）晶体，它在熔融状态下能传导O^2-．通入氨气的电极为负极（填“正极”或“负极”），写出负极的电极反应式：2NH₃-6e^-+3O ^2-=N₂+3H₂O．

Answer 1

分析 （1）①相同压强下，升高温度平衡逆向移动，氨气含量降低；
②A．缩小容器体积相当于增大压强，平衡正向移动；
B．M点时氨的物质的量的分数为60%，利用三段式，设N₂转化率是x
N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）
起始    1        3         0
转化    x       3x        2x
平衡   1-x     3-3x      2x
$\frac{2x}{1-x+3-3x+2x}$=60%，计算x即为氮气转化率；
C．该反应的正反应是放热反应，升高温度平衡逆向移动，化学平衡常数减小；
D．N点时氨的物质的量的分数为20%，利用三段式，设N₂转化率是b，N₂的起始浓度为a，
根据反应N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）
起始    a       3a         0
转化    ab       3ab       2ab
平衡   a-ab      3a-3ab      2ab
$\left\{\begin{array}{l}{\frac{2ab}{a-ab+3a-3ab+2ab}×100%=20%}\\{2ab=0.2}\end{array}\right.$
解得$\left\{\begin{array}{l}{a=0.3}\\{b=\frac{1}{3}}\end{array}\right.$，据此计算平衡常数K；
（2）溶液呈中性，则c（H⁺）=c（OH^-），根据电荷守恒判断离子浓度；
（3）Ⅰ．将两个方程式相加即得NH₃、CO₂为原料合成尿素的热化学方程式，焓变进行相应的改变；
Ⅱ．①合成尿素总反应的快慢由第二步反应决定；
②在0～10min内，第一步反应的速率v（CO₂）=$\frac{\frac{1-0.26}{0.5}}{10}$ mol•L^-1•min^-1=0.148mol•L^-1•min^-1，v（NH₃）=2v（CO₂）；
③第二步的正反应是吸热反应，升高温度平衡正向移动；
（4）该燃料电池中，通入氨气的电极是负极，通入氧气的电极是正极，负极上氨气失电子和氧离子反应生成氮气和水，正极上氧气得电子生成氧离子．

解答 解：（1）①相同压强下，升高温度平衡逆向移动，氨气含量降低，根据图知，a、b、c的温度分别是200℃、400℃、600℃，故答案为：200℃；
②A．缩小容器体积相当于增大压强，平衡正向移动，氢气转化率增大，故A正确；
B．M点时氨的物质的量的分数为60%，利用三段式，设N₂转化率是x
N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）
起始    1        3         0
转化    x       3x        2x
平衡   1-x     3-3x      2x
$\frac{2x}{1-x+3-3x+2x}$=60%，x=75%，
故B错误；
C．该反应的正反应是放热反应，升高温度平衡逆向移动，化学平衡常数减小，M、Q温度相同其化学平衡常数相等，M温度小于N，则M化学平衡常数大于N，所以这三点化学平衡常数K（M）=K（Q）＞K（N）
，故C错误；
D．N点时氨的物质的量的分数为20%，利用三段式，设N₂转化率是b，N₂的起始浓度为a，
根据反应N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）
起始    a       3a         0
转化    ab       3ab       2ab
平衡   a-ab      3a-3ab      2ab
$\left\{\begin{array}{l}{\frac{2ab}{a-ab+3a-3ab+2ab}×100%=20%}\\{2ab=0.2}\end{array}\right.$
解得$\left\{\begin{array}{l}{a=0.3}\\{b=\frac{1}{3}}\end{array}\right.$，据此计算平衡常数K；
化学平衡常数K=$\frac{（2ab）^{2}}{（a-ab）．（3a-3ab）^{3}}$=0.93，故D正确；
故选AD；
（2）混合溶液呈中性，所以c（H⁺）=c（OH^-），根据电荷守恒得c（NH₄⁺）+c（H⁺）=2c（SO₄^2-）+c（OH^-），则c（NH₄⁺）=2c（SO₄^2-），故答案为：=；
（3）I.2NH₃（g）+CO₂（g）═H₂NCOONH₄（s）△H₁=-272kJ•mol^-1；
H₂NCOONH₄（s）═CO（NH₂）₂（s）+H₂O（g）△H₂=+138kJ•mol^-1；
则将两个方程式相加可得：2NH₃（g）+CO₂（g）?H₂O（g）+CO（NH₂）₂ （s）△H=△H₁+△H₂=-272kJ•mol^-1+138kJ•mol^-1=-134kJ/mol；
故答案为：2NH₃（g）+CO₂（g）?H₂O（g）+CO（NH₂）₂ （s）△H=-134kJ/mol；
II．①合成尿素总反应的快慢由第二步反应决定，
故答案为：二；
②在0～10min内，第一步反应的速率v（CO₂）=$\frac{\frac{1-0.26}{0.5}}{10}$ mol•L^-1•min^-1=0.148mol•L^-1•min^-1，v（NH₃）=2v（CO₂）=2×0.148mol•L^-1•min^-1=0.296mol•L^-1•min^-1，
故答案为：0.296；
③第二步的正反应是吸热反应，升高温度平衡正向移动，平衡常数增大，其图象为，
故答案为：；
（4）该燃料电池中，通入氨气的电极是负极，通入氧气的电极是正极，负极上氨气失电子和氧离子反应生成氮气和水，正极上氧气得电子生成氧离子，负极反应式为2NH₃-6e^-+3O ^2-=N₂+3H₂O，
故答案为：负极；2NH₃-6e^-+3O ^2-=N₂+3H₂O．

点评 本题考查较综合，涉及盖斯定律、原电池原理、化学平衡计算、化学平衡移动影响因素等知识点，为高频考点，侧重考查学生分析、计算及知识综合运用能力，注意：化学平衡常数只与温度有关，与物质转化率及物质浓度都无关，难点是电极反应式的书写，题目难度中等．