Question

合成氨是人類研究的重要課題，目前工業(yè)合成氨的原理為：
N₂（g）+3H₂（g）

催化劑   .

高溫高壓

2NH₃（g）△H=-93.0kJ?mol^-1，在3個2L的密閉容器中，使用相同的催化劑，按不同方式投入反應(yīng)物，分別進行反應(yīng)：
相持恒溫、恒容，測的反應(yīng)達到平衡時關(guān)系數(shù)據(jù)如下：

容器	甲	乙	丙
反應(yīng)物投入量	3mol H2、2mol N2	6mol H2、4mol N2	2mol NH3
達到平衡的時間/min		6	8
平衡時N2的體積密度	C1	1.5
混合氣體密度/g?L-1	ρ1	ρ2
平衡常數(shù)/L2?mol-2	K甲	K乙	K丙

（1）下列各項能說明該反應(yīng)已到達平衡狀態(tài)的是

 

（填寫序號字母）
a．容器內(nèi)H₂、N₂、NH₃的濃度只比為1：3：2
b．容器內(nèi)壓強保持不變
c．v（N₂）_正=3v（H₂）_速
d．混合氣體的密度保持不變
e．混合氣體的平均相對分子質(zhì)量不變
（2）容器乙中反應(yīng)從開始到達平衡的反應(yīng)速度為v（H₂）=

 

（3）在該溫度下甲容器中反應(yīng)的平衡常數(shù)K=

 

（用含C₁的代數(shù)式表示）
（4）分析上表數(shù)據(jù)，下列關(guān)系正確的是

 

（填序號）：
a.2c₁＜1.5mol/L    b．?₃=?₁ c.2ρ₁=ρ₂ d．K_乙＞K_甲=K_丙
（5）另據(jù)報道，常溫、常壓下，N₂在摻有少量氧化鐵的二氧化鈦催化劑表面能與水發(fā)生反應(yīng)，生成NH₃和O₂．已知：H₂的燃燒熱△H=-286kJ/mol，則由次原理制NH₃反應(yīng)的熱化學(xué)方程式為

 

（6）希臘阿里斯多德大學(xué)的George Mamellos和Michacl Stoukides，發(fā)明了一種合成氨的新方法，在常壓下，把氫氣和用氨氣稀釋的氮氣分別通入一個加熱到570℃的電解池，李勇能通過的氫離子的多孔陶瓷固體作電解質(zhì)，氫氣和氮氣在電極上合成了氨，轉(zhuǎn)化率達到78%，在電解法合成氨的過程中，應(yīng)將H₂不斷地通入

 

極，該電極反應(yīng)式為

 

．

Answer 1

考點：化學(xué)平衡狀態(tài)的判斷,熱化學(xué)方程式,反應(yīng)速率的定量表示方法,化學(xué)平衡常數(shù)的含義,等效平衡,電解原理

專題：基本概念與基本理論

分析：（1）達到平衡狀態(tài)時，正逆反應(yīng)速率相等，各物質(zhì)的濃度不變，以此判斷；
（2）先計算出用氮氣表示的反應(yīng)速率，然后利用化學(xué)計量數(shù)關(guān)系計算出用氫氣表示的反應(yīng)速率；
（3）化學(xué)平衡常數(shù)是平衡時各生成物濃度的化學(xué)計量數(shù)次冪的乘積除以各反應(yīng)物濃度的化學(xué)計量數(shù)次冪的乘積所得的比值；
（4）先將丙中的數(shù)據(jù)按照化學(xué)計量數(shù)轉(zhuǎn)化成反應(yīng)物氮氣、氫氣的物質(zhì)的量，然后利用等效平衡知識進行分析；
（5）依據(jù)題干中合成氨的熱化學(xué)方程式及氫氣的燃燒熱的熱化學(xué)方程式H₂（g）+

1

2

O₂（g）=H₂O（l）△H=-285.6KJ/mol，結(jié)合蓋斯定律計算得到所需熱化學(xué)方程式；
（6）根據(jù)電解池反應(yīng)原理判斷氫氣、氮氣應(yīng)該通入的電極，在陽極上，氫氣失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，陰極上氮氣得到電子發(fā)生還原反應(yīng)，據(jù)此寫出氮氣發(fā)生的電極反應(yīng)式．

解答： 解：（1）a．容器內(nèi)N₂、H₂、NH₃的濃度之比為1：3：2，不能說明達到判斷狀態(tài)，取決于起始配料比和轉(zhuǎn)化程度，故a錯誤；
b．容器內(nèi)壓強保持不變，可說明達到平衡狀態(tài)，故b正確；
c．當3v（N₂）_正=v（H₂）_逆時，正逆反應(yīng)速率相等，而v（N₂）_正=3v（H₂）_速，正逆反應(yīng)速率不相等，沒有達到平衡狀態(tài)，故c錯誤；
d．恒容時體積不變，質(zhì)量不變，則混合氣體的密度保持不變，不能達到平衡狀態(tài)，故d錯誤；
e．該反應(yīng)為氣體體積縮小的反應(yīng)，反應(yīng)兩邊都是氣體，所以反應(yīng)過程中氣體的平均分子量為變量，當混合氣體的平均相對分子質(zhì)量不變時，說明正逆反應(yīng)速率相等，達到平衡狀態(tài)，故e正確；
故答案為：be；
（2）容器乙中，反應(yīng)前氮氣的濃度為：

4mol

2L

=2mol/L，達到平衡時氮氣的濃度為：1.5mol/L，氮氣的濃度變化為：2mol/L-1.5mol/L=0.5mol/L，根據(jù)反應(yīng)方程式中，反應(yīng)消耗氫氣的濃度為：0.5mol/L×3=1.5mol/L，容器乙中反應(yīng)從開始到達平衡的反應(yīng)速度為：v（H₂）=

1.5mol/L

6min

=0.25mol?L^-1?min^-1，
故答案為：0.25mol?L^-1?min^-1；
（3）在該溫度下甲容器中達到平衡時氮氣的物質(zhì)的量濃度為C₁，反應(yīng)前氮氣的濃度為1mol/L，氮氣的濃度變化為（1-C₁）mol/L，則達到平衡時生成氨氣的濃度為：2（1-C₁）mol/L，氫氣的濃度為：

3mol

2L

-3（1-C₁）mol/L=（3C₁-1.5）mol/L，在該溫度下甲容器中反應(yīng)的平衡常數(shù)K=

c2(NH3)

c(N2)?c3(H2)

=

[2(1-C1)]2

C1?(3C1-1.5)3

=

4(1-C1)2

C1(3C1-1.5)3

，
故答案為：

4(1-C1)2

C1(3C1-1.5)3

；
（4）a．假設(shè)乙容器的容積為4L，則達到平衡時甲乙為等效平衡，各組分的含量、濃度相等，此時氮氣的濃度為c₁，然后將容器的容積縮小到2L，若平衡不移動，2c₁=1.5mol/L，由于壓強增大，平衡向著正向移動，氨氣的濃度增大，所以2c₁＞1.5mol/L，故a錯誤；    
b．丙中2mol氨氣相當于加入了1mol氮氣、3mol氫氣，而甲中為3mol H₂、2mol N₂，由于丙反應(yīng)物氮氣的物質(zhì)的量減小，生成的氨氣的物質(zhì)的量減小，所以ω₃＜ω₁，故b錯誤；
c．反應(yīng)前后都是氣體，容器的容積都是2L，乙中混合氣體的質(zhì)量為甲的2倍，根據(jù)

m

V

可知：2ρ₁=ρ₂，故c正確；
d．因為溫度相同，故K_甲=K_乙=K_丙，故d錯誤；
故答案為：c；
（5）熱化學(xué)方程式①N₂（g）+3H₂（g）

催化劑

高溫高壓

2NH₃（g）△H=-93.0kJ?mol^-1，書寫氫氣的燃燒熱的熱化學(xué)方程式為②H₂（g）+

1

2

O₂（g）=H₂O（l）△H=-285.6KJ/mol，結(jié)合蓋斯定律計算[①-②×3]×2得到所需熱化學(xué)方程式；2 N₂（g）+6 H₂O （l）=4 NH₃（g）+3 O₂ （g）△H=+1530 kJ?mol^-1；
故答案為：2N₂（g）+6H₂O（l）=4NH₃（g）+3O₂（g）△H=+1530 kJ?mol^-1；
（6）電解池的陽極發(fā)生氧化反應(yīng)，陰極發(fā)生還原反應(yīng)，所以氫氣不斷通入陽極；陰極通入氮氣得到電子結(jié)合氫離子反應(yīng)生成氨氣，電極反應(yīng)為：N₂+6H⁺+6e^-=2NH₃，
故答案為：陰；N₂+6 H⁺+6e^-=2NH₃．

點評：本題考查了化學(xué)平衡狀態(tài)的判斷、化學(xué)反應(yīng)速率的影響因素判斷、化學(xué)反應(yīng)速率、化學(xué)平衡常數(shù)的計算等知識，題目難度較大，試題涉及的題量較大，知識點較多，注意掌握化學(xué)平衡的影響因素、化學(xué)反應(yīng)速率的計算方法，能夠利用蓋斯定律求算反應(yīng)中的焓變．