Question

3．為研究哈伯法合成氨反應(yīng)，T℃時，在容積為2L恒容容器中通入4mol N₂和12mol H₂，反應(yīng)如下：
N₂（g）+3H₂（g） $?_{高溫高壓}^{催化劑}$2NH₃（g）△H=-92kJ/mol
相關(guān)鍵能數(shù)據(jù)如下：

	N≡N	H-H	N-H
鍵能數(shù)據(jù)（KJ/mol）	946	436	x

若25min時反應(yīng)達到平衡，各物質(zhì)濃度隨時間變化曲線如圖中甲、乙、丙．回答下列問題：

（1）0-25min內(nèi)，反應(yīng)的平均速率v（H₂）為0.12mol/（L•min）；表中x=391．
（2）T℃時，該反應(yīng)的平衡常數(shù)K=$\frac{4}{27}$L²/mol²（用最簡分數(shù)表達）．
（3）T℃時，若起始充入8molN₂和24molH₂，則反應(yīng)剛達到平衡時，表示c（H₂）在圖中相應(yīng)的點為B（填字母）．
（4）以煤為主要原料的合成氨工業(yè)中，原料氣氫氣常用下述方法獲得：
①C（s）+H₂O（g）?CO（g）+H₂（g）△H₁
②CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H₂
若已知CO和H₂的燃燒熱分別為283KJ•mol^-1和285.8KJ•mol^-1
H₂O（g）=H₂O（l）△H=-44kJ/mol，則△H₂=-41.2kJ/mol．
（5）氨氣是生產(chǎn)硝酸的重要原料，其過程如圖1：

寫出步驟I的化學(xué)方程式：4NH₃+5O₂$\frac{\underline{催化劑}}{△}$4NO+6H₂O
（6）圖2是科學(xué)家提出的利用電解法常溫常壓下由氮氣、氫氣合成氨的示意圖：由圖可知，把電極B是電解池的陽極（填“陰極”或“陽極”）；把電極A上的電極反應(yīng)式為N₂+6e^-+6H⁺=2NH₃．

Answer 1

分析 （1）根據(jù)濃度變化圖，隨著反應(yīng)的進行，濃度變小的是反應(yīng)物，濃度變大的是生成物，在相同時間內(nèi)，濃度下降的大的反應(yīng)物，其化學(xué)計量數(shù)也大，則甲圖線是H₂濃度變化圖，0-25min內(nèi)，H₂的濃度變化為△c（H₂）=6mol/L-3mol/L=3mol/L，根據(jù)化學(xué)反應(yīng)平均速率計算公式v（H₂）=$\frac{△c（{H}_{2}）}{△t}$計算，根據(jù)蓋斯定律計算N-H鍵鍵能；
（2）T℃時，在容積為2L恒容容器中通入4mol N₂和12mol H₂，根據(jù)濃度變化圖象，計算出平衡時各組分的濃度，反應(yīng)的平衡常數(shù)為K=$\frac{{c}^{2}（N{H}_{3}）}{{c}^{3}（{H}_{2}）c（{N}_{2}）}$，代入數(shù)據(jù)計算；
（3）溫度不變，平常數(shù)不變，反應(yīng)N₂（g）+3H₂（g） $?_{高溫高壓}^{催化劑}$2NH₃（g）為氣體數(shù)減少的反應(yīng)，加壓則化學(xué)平衡向正反應(yīng)方向移動，有助于反應(yīng)正向進行，先假設(shè)平衡不移動，在考慮實際平衡移動的情況，據(jù)此分析；
（4）根據(jù)已知熱效應(yīng)的熱化學(xué)方程式及CO和H₂的燃燒熱，結(jié)合蓋斯定律計算所求反應(yīng)的焓變；
（5）根據(jù)流程圖分析，步驟I為NH₃催化氧化生成NO，據(jù)此寫出反應(yīng)的化學(xué)方程式；
（6）電解法常溫常壓下由氮氣、氫氣合成氨，根據(jù)裝置圖分析，通入H₂在鈀電極B處產(chǎn)生H⁺，這一個過程為失電子反應(yīng)，則電解池中，物質(zhì)在陽極處失電子，N₂在鈀電極A處轉(zhuǎn)化為NH₃，這一個過程是得電子反應(yīng)，N₂中N得到電子，N₂發(fā)生還原反應(yīng)，與H⁺結(jié)合產(chǎn)生NH₃，據(jù)此寫出電極A的電極反應(yīng)式．

解答 解：（1）根據(jù)濃度變化圖，隨著反應(yīng)的進行，濃度變小的是反應(yīng)物，濃度變大的是生成物，在相同時間內(nèi)，濃度下降的大的反應(yīng)物，其化學(xué)計量數(shù)也大，則甲圖線是H₂濃度變化圖，0-25min內(nèi)，即△t=25min，
H₂的濃度變化為△c（H₂）=6mol/L-3mol/L=3mol/L，則反應(yīng)的平均速率v（H₂）=$\frac{△c（{H}_{2}）}{△t}$=0.12mol/（L•min），
根據(jù)蓋斯定律，對于反應(yīng)N₂（g）+3H₂（g） $?_{高溫高壓}^{催化劑}$2NH₃（g），焓變△H=E（N≡N）+3E（H-H）-6E（N-H）=-92，則E（N-H）=x=391kJ/mol，
故答案為：0.12mol/（L•min）；391；
（2）反應(yīng)為N₂（g）+3H₂（g） $?_{高溫高壓}^{催化劑}$2NH₃（g），T℃時，在容積為2L恒容容器中通入4mol N₂和12mol H₂，根據(jù)濃度變化圖象，平衡時，c（N₂）=1mol/L，c（H₂）=3mol/L，c（NH₃）=2mol/L，反應(yīng)的平衡常數(shù)為K=$\frac{{c}^{2}（N{H}_{3}）}{{c}^{3}（{H}_{2}）c（{N}_{2}）}$=$\frac{（2mol/L）^{2}}{（3mol/L）^{3}×（1mol/L）}$=$\frac{4}{27}{L}^{2}/mo{l}^{2}$，
故答案為：$\frac{4}{27}{L}^{2}/mo{l}^{2}$；
（3）溫度不變，平常數(shù)不變，反應(yīng)N₂（g）+3H₂（g） $?_{高溫高壓}^{催化劑}$2NH₃（g）為氣體數(shù)減少的反應(yīng)，加壓則化學(xué)平衡向正反應(yīng)方向移動，有助于反應(yīng)正向進行，原平衡起始時充入4mol N₂和12mol H₂，若起始充入8molN₂和24molH₂，相當于對原平衡加壓，則反應(yīng)向正反應(yīng)方向進行，若平衡不發(fā)生移動，則平衡時c（H₂）應(yīng)為原來的兩倍6mol/L，加壓有利于反應(yīng)正向進行，則平衡時c（H₂）＜6mol/L，平衡時c（NH₃）＞4mol/L，而c（H₂）＞c（NH₃）＞4mol/L，據(jù)此判斷，H₂平衡時的濃度為B點，
故答案為：B；
（4）③CO的燃燒熱為283kJ/mol，則CO（g）+$\frac{1}{2}{O}_{2}（g）$=CO₂（g）△H₃=-283kJ/mol，
         ④H₂的燃燒熱為285.8kJ/mol，則H₂（g）+$\frac{1}{2}{O}_{2}（g）$=H₂O（l）△H₄=-285.8kJ/mol，
         ⑤H₂O（g）=H₂O（l）△H₅=-44kJ/mol，
反應(yīng)②CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g），該反應(yīng)可由③-④+⑤得到，根據(jù)蓋斯定律，則△H₂=△H₃-△H₄+△H₅=-283-（285.8）-44=-41.2kJ/mol，
故答案為：-41.2kJ/mol；
（5）根據(jù)流程圖分析，步驟I為NH₃催化氧化生成NO，則步驟I的反應(yīng)方程式為：4NH₃+5O₂$\frac{\underline{催化劑}}{△}$4NO+6H₂O，
故答案為：4NH₃+5O₂$\frac{\underline{催化劑}}{△}$4NO+6H₂O；
（6）電解法常溫常壓下由氮氣、氫氣合成氨，根據(jù)裝置圖分析，通入H₂在鈀電極B處產(chǎn)生H⁺，這一個過程為失電子反應(yīng)，則電解池中，物質(zhì)在陽極處失電子，則鈀電極B為電解池的陽極，
N₂在鈀電極A處轉(zhuǎn)化為NH₃，這一個過程是得電子反應(yīng)，N₂中N得到電子，N₂發(fā)生還原反應(yīng)，與H⁺結(jié)合產(chǎn)生NH₃，則鈀電極A處的電極反應(yīng)式為：N₂+6e^-+6H⁺=2NH₃，
故答案為：N₂+6e^-+6H⁺=2NH₃．

點評 本題主要考察化學(xué)原理部分知識，包含化學(xué)反應(yīng)速率的計算，蓋斯定律的應(yīng)用，化學(xué)平衡的移動，電化學(xué)原理，電極反應(yīng)式的書寫．需注意，燃燒熱是指1mol物質(zhì)完全氧化，生成穩(wěn)定的參考物質(zhì)時反應(yīng)的熱效應(yīng)，對于參考物質(zhì)，C需變成CO₂，H₂需變成H₂O（l），不是H₂O（g）!本題涉及的知識點較多，題目難度中等．