Question

6．碳和氮的化合物与人类生产、生活密切相关．
（1）C、CO、CO₂在实际生产中有如下应用：
a．2C+SiO₂$\frac{\underline{\;高温\;}}{电炉}$Si+2CO        b．3CO+Fe₂O₃$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$2Fe+3CO₂
c．C+H₂O$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$CO+H₂         d．CO₂+CH₄$\stackrel{催化剂}{→}$CH₃COOH
上述反应中，理论原子利用率最高的是d．可用碳酸钾溶液吸收b中生产的CO₂，常温下，pH=10的碳酸钾溶液中水电离的OH^-的物质的量浓度为1×10^-4 mol•L^-1，常温下，0.1mol•L^-1KHCO₃溶液的pH＞8，则溶液中c（H₂CO₃）＞c（CO₃^2-）（填“＞”，“=”或“＜”）．
（2）有机物加氢反应中镍是常用的催化剂．但H₂中一般含有微量CO会使催化剂镍中毒，在反应过程中消除CO的理想做法是投入少量SO₂，查得资料如图1，
则：SO₂（g）+2CO（g）=S（s）+2CO₂（g）△H=-270kJ/mol．
（3）已知N₂（g）+3H₂（g）=2NH₃（g）△H=-94.4kJ•mol^-1，恒容时，体系中各物质浓度随时间变化的曲线如图2所示，各时间段最终均达平衡状态．
①在2L容器中发生反应，时段Ⅰ放出的热量为94.4kJ．
②25min时采取的措施是将NH₃从反应体系中分离出去．
③时段Ⅲ条件下，反应的平衡常数为2.37（保留3位有效数字）．
（4）电化学降解N的原理如图3所示．电源正极为A（填“A”或“B”），阴极反应式为2NO₃^-+12H⁺+10e^-=N₂+6H₂O．

Answer 1

分析 （1）反应物中的原子全部参加反应的，原子利用律最高，据此解答即可；水电离的OH^-的物质的量浓度=$\frac{10{\;}^{-14}}{10{\;}^{-pH}}$；常温下，0.1mol•L^-1 KHCO₃溶液pH＞8，说明碳酸氢根在水解程度大于电离程度；
（2）由图1可知，O₂（g）+2CO（g）=2CO₂（g）△H=（-2×283）kJ•mol^-1=-566kJ•mol^-1，（i）
                                 S（s）+O₂（g）=SO₂（g）△H=-296kJ•mol^-1，（ii）
利用盖斯定律（i）-（ii）计算即可；
（3）①根据时段Ⅰ达到平衡时生成氨气的物质的量及热化学方程式N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）；△H=-94.4kJ•mol^-1计算出放出的热量；
②根据25min时氨气的物质的量变为0，而氮气和氢气的物质的量不变进行解答，改变的条件是分离出氨气；
③根据时段Ⅲ条件下达到平衡时各组分的浓度及平衡常数等于生成物平衡浓度幂次方乘积除以反应物平衡浓度幂次方乘积进行解答；
（4）由图示知在Ag-Pt电极上NO₃^-发生还原反应，因此Ag-Pt电极为阴极，则B为负极，A为电源正极；在阴极反应是NO₃^-得电子发生还原反应生成N₂，利用电荷守恒与原子守恒知有氢离子参与反应且有水生成．

解答 解：（1）观察四个反应方程式可见，只有反应d中参加反应的物质全部转化为一种物质，故原子利用率最高；
可用碳酸钾溶液吸收生成的CO₂，常温下pH=10的碳酸钾溶液中水电离的c（OH^-）=$\frac{10{\;}^{-14}}{10{\;}^{-pH}}$mol/L=1×10^-4 mol•L^-1；
常温下，0.1mol•L^-1 KHCO₃溶液pH＞8，则溶液中碳酸氢根离子水解程度大于电离程度，所以c（H₂CO₃）＞c（CO₃^2-）；
故答案为：d； 1×10^-4 mol•L^-1；＞；
（2）由图1可知，O₂（g）+2CO（g）=2CO₂（g）△H=（-2×283）kJ•mol^-1=-566kJ•mol^-1，（i）
                                 S（s）+O₂（g）=SO₂（g）△H=-296kJ•mol^-1，（ii）
（i）-（ii）得：SO₂（g）+2CO（g）=S（s）+2CO₂（g）△H=-563-（-298）=-270kJ•mol^-1，故答案为：-270kJ/mol；
（3）①时段Ⅰ达到平衡时生成的氨气的物质的量为：1.00 mol/L×2L=2.00mol，
根据N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）；△H=-94.4kJ•mol^-1可知生成2.00mol氨气放出的热量为94.4kJ，
故答案为：94.4kJ；
②25min时氨气的物质的量迅速变为0而氮气、氢气的物质的量不变，之后氮气、氢气的物质的量逐渐减小，氨气的物质的量逐渐增大，说明25min时改变的条件是将NH₃从反应体系中分离出去，
故答案为：将NH₃从反应体系中分离出去；
③时段Ⅲ条件下，反应为：N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g），图象方向可知平衡状态下[N₂]=0.25mol/L，[NH₃]=0.50mol/L，[H₂]=0.75mol/L，该反应的化学平衡常数为：K=$\frac{[NH{\;}_{3}]{\;}^{2}}{[H{\;}_{2}]{\;}^{3}[N{\;}_{2}]}$=$\frac{（0.50mol/L）{\;}^{2}}{（0.75mol/L）{\;}^{3}×0.25mol/L}$=2.37，
故答案为：2.37；
（4）由图示知在Ag-Pt电极上NO₃^-发生还原反应，因此Ag-Pt电极为阴极，则B为负极，A为电源正极；在阴极反应是NO₃^-得电子发生还原反应生成N₂，利用电荷守恒与原子守恒知有H₂O参与反应且有水生成，
所以阴极上发生的电极反应式为：2NO₃^-+12H⁺+10e^-=N₂+6H₂O，
故答案为：A，2NO₃^-+12H⁺+10e^-=N₂+6H₂O．

点评 本题主要考查的是绿色化学的概念、盖斯定律的应用、影响化学平衡的因素及电解池工作原理，题目难度中等，明确化学平衡常数的概念及计算方法是解题关键．