Question

研究氮的固定具有重要意義．
（1）雷雨天氣中發(fā)生自然固氮后，氮元素轉(zhuǎn)化為

 

而存在于土壤中．處于研究階段的化學(xué)固氮新方法是N₂在催化劑表面與水發(fā)生如下反應(yīng)：
2N₂（g）+6H₂O（l）=4NH₃（g）+3O₂（g）△H      K  ①
已知：N₂（g）+3H₂（g）=2NH₃（g）△H₁=-92.4kJ?mol^-1   K₁②
2H₂（g）+O₂（g）=2H₂O（l）△H₂=-571.6kJ?mol^-1   K₂③
則△H=

 

；K=

 

（用K₁和 K₂表示）．
（2）在四個容積為2L的密閉容器中，分別充入1mol N₂、3mol H₂O，在催化劑條件下進行反應(yīng)①3h，實驗數(shù)據(jù)見下表：

序號	第一組	第二組	第三組	第四組
t/℃	30	40	50	80
NH3生成量/（10-6mol）	4.8	5.9	6.0	2.0

下列能說明反應(yīng)①達到平衡狀態(tài)的是

 

（填字母）．
a．NH₃和O₂的物質(zhì)的量之比為4：3
b．反應(yīng)混合物中各組份的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不變
c．單位時間內(nèi)每消耗1molN₂的同時生成2molNH₃
d．容器內(nèi)氣體密度不變
若第三組反應(yīng)3h后已達平衡，第三組N₂的轉(zhuǎn)化率為

 

；第四組反應(yīng)中以NH₃表示的反應(yīng)速率是

 

，與前三組相比，NH₃生成量最小的原因可能是

 

．
（3）美國化學(xué)家發(fā)明一種新型催化劑可以在常溫下合成氨，將其附著在電池的正負(fù)極上實現(xiàn)氮的電化學(xué)固定，其裝置示意圖如圖：則開始階段正極反應(yīng)式為

 

；忽略電解過程中溶液體積變化，當(dāng)電池中陰極區(qū)溶液pH=7時，溶液中NH₃?H₂O的濃度為

 

（ K_b=2×10^-5mol?L^-1）；當(dāng)電池中陰極區(qū)呈紅色時，溶液中離子濃度由大到小的順序為

 

．

Answer 1

考點：熱化學(xué)方程式,原電池和電解池的工作原理,化學(xué)平衡狀態(tài)的判斷,化學(xué)平衡的計算

專題：基本概念與基本理論

分析：（1）雷雨天氣中發(fā)生自然固氮后，N₂→NO→NO₂→NO₃^-，氮元素轉(zhuǎn)化為硝酸鹽而存在土壤中，根據(jù)蓋斯定律①=②×2-③×3，△H=-92.4kJ?mol^-1×2+3×571.6kJ?mol^-1=+1530kJ?mol^-1，K=

K 2 1

K 3 2

；
（2）在反應(yīng)2N₂（g）+6H₂O（l）=4NH₃（g）+3O₂（g）中，
a．NH₃和O₂的物質(zhì)的量之比為4：3，反應(yīng)不一定平衡；
b．反應(yīng)混合物中各組份的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不變，反應(yīng)達到平衡；
c．單位時間內(nèi)每消耗1molN₂的同時生成2molNH₃，都向正反應(yīng)方向移動，反應(yīng)不一定平衡；
d．容器內(nèi)氣體密度逐漸增大，當(dāng)不變時，反應(yīng)達到平衡；
若第三組反應(yīng)3h后已達平衡，反應(yīng)的N₂的為

1

2

×6.0×10^-6mol=3.0×10^-6mol，第三組N₂的轉(zhuǎn)化率為

3.0×10-6mol

1mol

×100%=3×10^-4%；
3小時內(nèi)根據(jù)NH₃濃度的變化量，得v（NH₃）=

2×10-6mol

2L?3h

=3.33×10^-7mol/（L?h），第四組溫度最高但達平衡時，氨氣的物質(zhì)的量最小，可能是催化劑在80℃活性減小，反應(yīng)速率反而減慢，
（3）開始階段N₂在正極發(fā)生還原反應(yīng)，正極反應(yīng)式為N₂+8H⁺+6e^-=2NH₄⁺；當(dāng)電池中陰極區(qū)溶液pH=7時，c（OH^-）=1×10^-7mol/L，根據(jù)電荷守恒，可知c（NH₄⁺）=c（Cl^-）=1mol/L，溶液中NH₃?H₂O，K_b=

c(N H + 4 )×c(OH-)

c(NH3?H2O)

=

1mol/L×1×10-7mol/L

c(NH3?H2O)

=2×10^-5mol?L^-1；c（NH₃?H₂O）=5×10^-3mol?L^-1；當(dāng)電池中陰極區(qū)呈紅色時，溶液顯堿性，則溶液中的離子濃度大小順序為：c（NH₄⁺）＞c（Cl^-）＞c（OH^-）＞c（H⁺）．

解答： 解：（1）雷雨天氣中發(fā)生自然固氮后，N₂→NO→NO₂→NO₃^-，氮元素轉(zhuǎn)化為硝酸鹽而存在土壤中，根據(jù)蓋斯定律①=②×2-③×3，△H=-92.4kJ?mol^-1×2+3×571.6kJ?mol^-1=+1530kJ?mol^-1，K=

K 2 1

K 3 2

；故答案為：硝酸鹽；+1530kJ?mol^-1；

K 2 1

K 3 2

；
（2）在反應(yīng)2N₂（g）+6H₂O（l）=4NH₃（g）+3O₂（g）中，
a．NH₃和O₂的物質(zhì)的量之比為4：3，反應(yīng)不一定平衡；
b．反應(yīng)混合物中各組份的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不變，反應(yīng)達到平衡；
c．單位時間內(nèi)每消耗1molN₂的同時生成2molNH₃，都向正反應(yīng)方向移動，反應(yīng)不一定平衡；
d．容器內(nèi)氣體密度逐漸增大，當(dāng)不變時，反應(yīng)達到平衡；
若第三組反應(yīng)3h后已達平衡，反應(yīng)的N₂的為

1

2

×6.0×10^-6mol=3.0×10^-6mol，第三組N₂的轉(zhuǎn)化率為

3.0×10-6mol

1mol

×100%=3×10^-4%；
3小時內(nèi)根據(jù)NH₃濃度的變化量，得v（NH₃）=

2×10-6mol

2L?3h

=3.33×10^-7mol/（L?h），第四組溫度最高但達平衡時，氨氣的物質(zhì)的量最小，可能是催化劑在80℃活性減小，反應(yīng)速率反而減慢，
故答案為：bd；3×10^-4%；3.33×10^-7mol/（L?h）；催化劑在80℃活性減小，反應(yīng)速率反而減慢；
（3）開始階段N₂在正極發(fā)生還原反應(yīng)，N的化合價降低為-3價，結(jié)合H⁺生成NH₄⁺，正極反應(yīng)式為N₂+8H⁺+6e^-=2NH₄⁺；當(dāng)電池中陰極區(qū)溶液pH=7時，c（OH^-）=1×10^-7mol/L，根據(jù)電荷守恒，可知c（NH₄⁺）=c（Cl^-）=1mol/L，溶液中NH₃?H₂O，K_b=

c(N H + 4 )×c(OH-)

c(NH3?H2O)

=

1mol/L×1×10-7mol/L

c(NH3?H2O)

=2×10^-5mol?L^-1；c（NH₃?H₂O）=5×10^-3mol?L^-1；當(dāng)電池中陰極區(qū)呈紅色時，溶液顯堿性，則溶液中的離子濃度大小順序為：c（NH₄⁺）＞c（Cl^-）＞c（OH^-）＞c（H⁺），
故答案為：N₂+8H⁺+6e^-=2NH₄⁺；5×10^-3mol?L^-1；c（NH₄⁺）＞c（Cl^-）＞c（OH^-）＞c（H⁺）．

點評：本題考查蓋斯定律，電極反應(yīng)式的書寫，轉(zhuǎn)化率，平衡狀態(tài)，離子濃度大小比較，利用三段式法來分析解答即可，難度中等．