Question

20．肼（N₂H₄）又稱聯(lián)氨，廣泛用于火箭推進劑、有機合成及燃料電池，NO₂的二聚體N₂O₄則是火箭中常用氧化劑．試回答下列問題
（1）肼燃料電池原理如圖所示，左邊電極上發(fā)生的電極反應式為N₂H₄-4e^-+4OH^-=N₂+4H₂O
（2）火箭常用N₂O₄作氧化劑，肼作燃料，已知：
N₂（g）+2O₂（g）=2NO₂（g）△H=-67.7kJ•mol^-1
N₂H₄（g）+O₂（g）=N₂（g）+2H₂O（g）△H=-534.0kJ•mol^-1
2NO₂（g）?N₂O₄（g）△H=-52.7kJ•mol^-1
試寫出氣態(tài)肼在氣態(tài)四氧化二氮中燃燒生成氮氣和氣態(tài)水的熱化學方程式：2N₂H₄（g）+N₂O₄（g）=3N₂（g）+4H₂O（g）△H=-947.6kJ•mol^-1．
（3）聯(lián)氨的工業(yè)生產常用氨和次氯酸鈉為原料獲得，也可在高錳酸鉀催化下，尿素[CO（NH₂）₂]和次氯酸鈉-氫氧化鈉溶液反應獲得，尿素法反應的離子方程式為CO（NH₂）₂+ClO^-+2OH^-=N₂H₄+Cl^-+CO₃^2-+H₂O．
（4）如圖所示，A是由導熱材料制成的密閉容器，B是一耐化學腐蝕且易于傳熱的透明氣囊．關閉K₂，將各1mol NO₂通過K₁、K₃分別充入A、B中，反應起始時A、B的體積相同均為a L．

①B中可通過B的體積不再減小或氣體顏色不再變化判斷可逆反應2NO₂?N₂O₄已經達到平衡．
②若平衡后在A容器中再充入0.5mol N₂O₄，則重新到達平衡后，平衡混合氣中NO₂的體積分數變�。ㄌ睢白兇蟆薄白冃　被颉安蛔儭保�
③若容器A中到達平衡所需時間t s，達到平衡后容器內壓強為起始壓強的0.8倍，則平均化學反應速率v（NO₂）等于$\frac{0.4}{at}$mol/（L•s）．
④若打開K₂，平衡后B容器的體積縮至0.4a L，則打開K₂之前，氣球B體積為0.7aL．

Answer 1

分析 （1）左端為負極，在堿性電解質中失去電子生成氮氣和水；
（2）由①N₂（g）+2O₂（g）=2NO₂（g）△H=-67.7kJ•mol^-1
②N₂H₄（g）+O₂（g）=N₂（g）+2H₂O（g）△H=-534.0kJ•mol^-1
③2NO₂（g）?N₂O₄（g）△H=-52.7kJ•mol^-1
根據蓋斯定律可知②×2-①-③計算反應熱；
（3）在高錳酸鉀催化劑存在下，尿素和次氯酸鈉、氫氧化鈉溶液反應生成聯(lián)氨、另外兩種鹽和水，結合質量守恒定律來書寫離子反應方程式；
（4）①反應達到平衡狀態(tài)時，正逆反應速率相等，平衡時各種物質的物質的量、濃度等不再發(fā)生變化；
②若平衡后在A容器中再充入0.5mol N₂O₄，等效于加入1mol NO₂，采用先擴大再壓縮的方法分析重新到達平衡后，平衡混合氣中NO₂的體積分數；
③根據反應前后氣體的壓強之比等于物質的量之比來回答；
④打開K₂，則相當于是在等溫等壓時的平衡，因此平衡時等效的，根據此時反應物的物質的量是B中的二倍，則此時總體積也是B以前體積的二倍，據此分析．

解答 解：（1）左端為負極，在堿性電解質中失去電子生成氮氣和水，電極反應為N₂H₄-4e^-+4OH^-=N₂+4H₂O，故答案為：N₂H₄-4e^-+4OH^-=N₂+4H₂O；
（2）由①N₂（g）+2O₂（g）=2NO₂（g）△H=-67.7kJ•mol^-1
②N₂H₄（g）+O₂（g）=N₂（g）+2H₂O（g）△H=-534.0kJ•mol^-1
③2NO₂（g）?N₂O₄（g）△H=-52.7kJ•mol^-1
根據蓋斯定律可知②×2-①-③得2N₂H₄（g）+N₂O₄（g）=3N₂（g）+4H₂O（g），
△H=（-534.0kJ•mol^-1）×2-（-67.7kJ•mol^-1）-（-52.7kJ•mol^-1）=-947.6 kJ•mol^-1，
即熱化學方程式為2N₂H₄（g）+N₂O₄（g）=3N₂（g）+4H₂O（g）△H=-947.6 kJ•mol^-1，
故答案為：2N₂H₄（g）+N₂O₄（g）=3N₂（g）+4H₂O（g）△H=-947.6 kJ•mol^-1；
（3）由在高錳酸鉀催化劑存在下，尿素和次氯酸鈉、氫氧化鈉溶液反應生成聯(lián)氨、另外兩種鹽和水，根據質量守恒定律可知兩種鹽為氯化鈉和碳酸鈉，該反應為CO（NH₂）₂+ClO^-+2OH^-=N₂H₄+Cl^-+CO₃^2-+H₂O，
故答案為：CO（NH₂）₂+ClO^-+2OH^-=N₂H₄+Cl^-+CO₃^2-+H₂O；
（4）①B是一個氣體壓強不變的容器，所以當反應達到平衡狀態(tài)時，混合氣體的顏色和氣囊體積不再改變，
故答案為：B的體積不再減小或氣體顏色不再變化；
②若平衡后在A容器中再充入0.5mol N₂O₄，等效于加入1mol NO₂，相當于先擴大一倍體積二氧化氮的百分含量不變，再壓縮平衡向消耗二氧化氮的方向移動，所以二氧化氮的百分含量會減小，故答案為：變�。�
③2NO₂?N₂O₄
初始物質的量：1      0
變化的物質的量：2x     x
平衡物質的量：1-2x     x  
則$\frac{1-2x+x}{1}$=0.8，解得x=0.2mol，所以平均化學反應速率v（NO₂）=$\frac{0.2×2}{at}$mol/（L•s）=$\frac{0.4}{at}$mol/（L•s），故答案為：$\frac{0.4}{at}$mol/（L•s）；
④打開K₂，則相當于是在等溫等壓時的平衡，因此平衡時等效的．由于此時反應物的物質的量是B中的二倍，所以打開K₂之前，氣球B體積為（aL+0.4aL）÷2=0.7aL，
故答案為：0.7a．

點評 本題考查了化學平衡的計算和蓋斯定律等知識點，難點是根據等效平衡進行計算，難度較大．